Etude de résonances baryoniques pour explorer la dynamique des collisions d'ions lourds à des énergies de quelques GeV avec des résonances baryoniques // Investigating the dynamics of heavy-ion collisions at energies of a few GeV with baryonic resonance

L'interaction forte, décrite par la Chromodynamique Quantique,(QCD), est responsable de la composition des nucléons en quarks et gluons, la génération de la plus grande partie de sa masse et de la structure des noyaux atomiques. Cette force a joué un rôle important dans l'évolution primordiale de l'Univers et est cruciale pour la structure des objets stellaires compacts, comme les étoiles à neutrons.
Comprendre les propriétés de la matière en interaction forte, comme son équation d'état,son diagramme de phase, et ses propriétés de transport (viscosité, conductivité électrique etc.) est un sujet de recherche aujourd'hui très actif. Les collisions de noyaux lourds aux énergies relativistes sont un outil pour mener ces études dans un laboratoire terrestre, car elle permettent la formation de matière de QCD à des températures et densités variées. Les propriétés de la matière sont fournies par les particules produites pendant les collisions d'ions lourds et mesurées dans les détecteurs de particules.
Le dispositif expérimental HADES, pour High Acceptance Di-Electron Spectrometer, installé à GSI, Darmstadt, Allemagne, étudie les collisions aux énergies de quelques GeV par nucléon, qui correspondent à des températures modérées et de grandes densités baryoniques nettes. Dans ces conditions, la dynamique du système est gouvernée par les excitations et décroissances de résonances baryoniques, parmi lesquelles Δ(1232) est la plus abondante.
Précédemment, une nouvelle méthode itérative [1] a été développée par HADES pour extraire, avec une grande précision statistique et systématique, le signal de résonances du fond combinatoire constitué par les paires non corrélées (rapport signal/fond de l'ordre de 1%) . L' application à des données dans la réaction à (sNN)1/2 = 2.42 GeV [2] a permis une analyse multi-différentielle (masse invariante, impulsion transverse, rapidité de la résonance) qui a révélé des caractéristiques qui ne peuvent pas être expliquées par les modèles théoriques existants.
Le sujet proposé sera réalisé en co-encadrement avec l'auteur de la méthode itérative mentionnée ci-dessus,un professeur associé à l'école polytechnique de Varsovie , en Pologne. Le but sera d'étendre et d'adapter l'analyse pour l'utiliser sur des jeux de données collectés depuis par la collaboration HADES dans la réaction Ag+Ag à (sNN)1/2 = 2.42 GeV et (sNN)1/2 = 2.55 GeV, et la réaction Au+Au at (sNN)1/2 = 2.24 GeV. L'interprétation des résultats fournira l'occasion de collaborer étroitement avec les experts en physique théorique et d'étendre les méthodes pour analyser les résultats issus de modèles dynamiques variés décrivant les collisions d'ions lourds.
La participation dans ce projet donnera au candidat la chance de rejoindre la collaboration HADES (environ 100 personnes) et d'interagir avec les chercheurs de plusieurs instituts dans différents pays européens.

[1] G. Kornakov and T. Galatyuk, Eur.Phys.J.A 55 (2019) 11, 204
[2] J. Adamczewski-Musch et al. (HADES Collaboration), Phys.Lett.B 819 (2021) 136421
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The strong force, described by Quantum Chromodynamics (QCD), is responsible for the composition of nucleons from quarks and gluons, the generation of much of their mass, and (effectively) for the structure of atomic nuclei. It played an important role in the early evolution of the Universe and is crucial for the structure of compact stellar objects such as neutron stars. Understanding the properties of matter interacting primarily through the strong force, such as its equation of state, phase diagram, and transport properties (viscosity, electrical conductivity, etc.) is an active research area today. Collisions of heavy nuclei at relativistic energies are a tool for carrying out these studies in a terrestrial laboratory, as they allow the formation of QCD matter at varying temperatures and densities. Information about matter is derived from particles produced during heavy-ion collisions and measured using particle detectors.

The High Acceptance Di-Electron Spectrometer (HADES), installes at GSI, Darmstadt, Germany, focuses on collision energies of a few GeV per nucleon, corresponding to moderate temperatures and high net baryon densities. In this case, particle pair production from the accumulated energy plays a minor role compared to experiments at higher collision energies. Instead, the dynamics of the system is governed by excitations and decays of baryonic resonances, of which Δ(1232) is the most abundant.

Previously, a new iterative method [1] was developed at HADES to extract the resonance signal with high statistical and systematic precision from a large combinatorial background of uncorrelated pion-proton pairs (signal-to-background ratio of the order of 1%). Applying it to data from Au+Au collisions at (sNN)1/2 = 2.42 GeV [2] allowed a multi-differential analysis (invariant mass, transverse momentum, rapidity of the resonance) revealing patterns that cannot be explained by currently available theoretical models.

The proposed PhD project will be realized under joint supervision together with the author of the iterative method mentioned above, currently an Associate Professor at the Warsaw University of Technology, Poland. The goal will be to extend and adapt the analysis so that it can be used for data sets collected later by HADES: Ag+Ag at (sNN)1/2 = 2.42 GeV and (sNN)1/2 = 2.55 GeV, and Au+Au at (sNN)1/2 = 2.24 GeV. The interpretation of the results will provide an opportunity to cooperate closely with experts in theoretical physics and to extend the methods for analyzing the results of various dynamical models of heavy-ion collisions.

Participation in the project will also be a chance to join a large and vibrant HADES collaboration and to interact with researchers from several institutions in different European countries.

[1] G. Kornakov and T. Galatyuk, Eur.Phys.J.A 55 (2019) 11, 204
[2] J. Adamczewski-Musch et al. (HADES Collaboration), Phys.Lett.B 819 (2021) 136421
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : http://hades.gsi.de/

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique*Autre type de financement*Programme Eiffel du ministère des affaires étrangères pour doctorants étrangers*Programme doctoral pour les cotutelles internationales de thèse (ADI)*Programmes de financements étrangers (hors CSC)*Ressources propres de l'unité de recherche*Programme doctoral 'Handicap' MESRI-UPSaclay

Université Paris-Saclay GS Physique

576 Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation

bonnes connaissances en physique nucléaire et physique des particules bon niveau pour la programmation en C++ goût du travail en collaboration
good knowledge of nuclear and particle physics Good programming level (C++) Skills for collaborative work