Thèse Corrélateurs d'Énergie dans les Collisions de Noyaux Ultra-Relativistes H/F

École polytechnique

Within this project, we will compute energy correlators in ultrarelativistic heavy-ion collisions using a novel approach that combines their formal properties, such as the light-ray operator product expansion, with perturbative QCD calculations of matrix elements. Methodologically, the work will involve analytical perturbative calculations of 12 and 13 QCD splittings in the presence of a background medium, as well as their numerical evaluation in order to obtain energy correlators. The project will also include the design and theoretical calculation of new energy correlator-based observables, tailored to probe specific phenomena such as medium anisotropies. Depending on the candidate's progress and interests, the thesis can emphasize either formal theory or phenomenological applications.

This project provides the opportunity to work at the interface between high-energy theory and phenomenology, combining analytical calculations, numerical methods, with direct relevance to ongoing LHC experiments, in a rapidly evolving and exciting area of high-energy physics.

La chromodynamique quantique (QCD) est la théorie universellement reconnue qui décrit l'interaction forte en termes de quarks et de gluons, génériquement appelés partons. Dans des conditions normales, ces partons sont confinés à l'intérieur des hadrons, les particules observées dans la nature. La QCD prédit toutefois qu'à des températures extrêmement élevées, ce confinement est surmonté, donnant naissance à un nouvel état de la matière appelé plasma de quarks et de gluons (QGP) [1]. La caractérisation et la compréhension de cet état de matière déconfiné constituent l'un des objectifs majeurs des programmes actuels de collisions de noyaux lourds ultra-relativistes menés au Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) au BNL (États-Unis) et au Large Hadron Collider (LHC) au CERN.

Le QGP produit lors de telles collisions a une durée de vie extrêmement courte (de l'ordre de 10^(-23) s), ce qui rend impossible son étude à l'aide de sondes externes. Les informations sur ses propriétés doivent donc être extraites des particules produites lors de la collision elle-même. En particulier, des diffusions impliquant de grands transferts d'énergie peuvent se produire aux tout premiers instants de la collision, donnant naissance à des jets de particules [2], qui se propagent à travers le QGP, interagissent avec lui et collectent des informations sur sa dynamique. La structure interne de ces jets (ou sous-structure des jets) est sensible au QGP sur une large gamme d'échelles de résolution, ce qui motive une activité théorique et expérimentale intense visant à définir, calculer et mesurer des observables de jets dans les collisions d'ions lourds.

Dans ce contexte, une nouvelle classe d'observables de sous-structure des jets, appelées corrélateurs d'énergie [3], a été proposée fin 2022 comme une sonde sensible de la dynamique du QGP [4]. Ces observables ont depuis suscité un fort intérêt théorique et expérimental, avec les premières mesures en collisions d'ions lourds au LHC présentées à l'été 2024. L'objectif de ce projet est de développer des calculs théoriques de précision des corrélateurs d'énergie dans les collisions de noyaux ultra-relativistes, afin d'apporter un nouvel éclairage sur la structure microscopique du QGP.