Rapport d`activité 2003-2005 - Centre de Physique Théorique

Rapport d’activité 2003-2005
Stéphane MUNIER
CR2, section 02
Centre de physique théorique (UMR 7644)
École polytechnique
Résumé
Spécialiste de la chromodynamique quantique à haute énergie, j’ai poursuivi des
travaux à la fois phénoménologiques et théoriques dans ce domaine. Le régime de
très haute énergie est particulièrement intéressant d’un point de vue théorique, car
c’est un régime de couplage faible et de champ fort, pour lequel les phénomènes
non-linéaires dits de saturation des densités de partons jouent un rôle important.
Ma réalisation la plus marquante consiste en la découverte d’un lien profond entre
l’évolution des amplitudes de QCD avec l’énergie et l’évolution temporelle de certains
systèmes de type réaction-diffusion étudiés en physique statistique . Ces travaux ont
eu une grande influence sur la compréhension de la chomodynamique aux très hautes
énergies, comme l’atteste le nombre important de citations déjà obtenues. Ils ont
également servi de base au travail d’un postdoc que j’ai contribué à encadrer.
A
Rapport d’activité
A.1
Curriculum vitæ
État civil
Né le
7 novembre 1973
Nationalité
Française
Situation
Célibataire
Contact
[email protected]
Formation universitaire
1997–2000
Thèse de doctorat de l’École polytechnique.
Spécialité : physique théorique.
Titre du mémoire : “Contributions à l’étude de la chromodynamique quantique
perturbative appliquée à la diffusion profondément inélastique
à petit xBj .”
Jury : J.-P. Blaizot, P. Chiappetta,
G. Korchemsky, A.H. Mueller (rapporteurs),
R. Peschanski.
Mention Très honorable et félicitations du jury.
1996–1997
DEA “Physique théorique”, École normale supérieure, Paris.
Mention Bien.
1993–1996
École polytechnique.
Stage de fin d’études en physique des particules expérimentale (expérience
DELPHI du LEP), effectué au Laboratoire de l’accélérateur linéaire, Orsay.
Rapport primé : félicitations du jury.
Expérience professionnelle en recherche
2004–2005
Mise à disposition auprès de l’Université de Florence.
2003
Chargé de recherche au CNRS (CR2), affecté au Centre de physique théorique
(UMR 7644) de l’École polytechnique.
2002–2003
Postdoc du réseau européen “Electron Scattering Off confined Partons”
(ESOP), Université de Heidelberg, Allemagne.
2000–2002
Postdoc du réseau européen “QCD and the deep structure of elementary particles” (QCDNET), Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) et Université
de Florence, Italie.
1997–2000
Contrat de formation par la recherche (CFR), Service de physique théorique,
CEA/Saclay, France : préparation de la thèse de doctorat.
1996
Bourse d’étudiant d’été, CERN, Genève.
1
Séjours professionnels invités
juillet 2004
Participation au workshop “Theory Summer Program on RHIC Physics”,
Brookhaven National Laboratory, New York (durée : 3 semaines).
Expérience d’enseignement
2003
Chargé de travaux dirigés, enseignement de relativité générale, Université de
Heidelberg.
2002
Tuteur pour le séminaire de mécanique quantique des étudiants, Université de
Heidelberg.
1999
Chargé de travaux dirigés, enseignement de mécanique quantique relativiste,
DEA “Physique quantique”, École normale supérieure, Paris.
Distinction
1997
Prix Julia, décerné par l’Amicale des anciens élèves de l’École polytechnique
à l’étudiant le mieux classé parmi ceux d’une même promotion de l’École qui
entament des études doctorales.
Divers
Langues
Français (langue maternelle), anglais (courant), italien (courant), allemand
(rudiments).
2
A.2
Recherche scientifique
Mon activité de recherche est décrite de façon détaillée ci-dessous. Les références mentionnées
renvoient à la liste des publications présentée plus loin.
Description détaillée de l’activité de recherche
Recruté au CNRS en 2003, j’ai été affecté au Centre de physique théorique de l’École polytechnique. Je me suis intégré au groupe de physique des particules, composé de Georges
Grunberg, Tri-Nang Pham, Bernard Pire, et Claude Roiesnel. Mes intérêts scientifiques sont
proches de ceux de Bernard Pire (chromodynamique quantique, diffraction), avec qui des collaborations sont envisagées, mais j’ai surtout apporté une nouvelle expertise au groupe : les
interactions à haute énergie en chromodynamique quantique (QCD). Ce domaine est actuellement bien représenté en région parisienne (notamment à Saclay, Orsay, et Jussieu) du fait du
recrutement récent de nombreux jeunes chercheurs. C’est essentiellement au sein de ce groupe
interlaboratoire que j’ai effectué mon activité de recherche au cours de ma première année au
CNRS (2003-2004).
Outre la poursuite de mon activité de phénoménologie, concrétisée par la publication de
deux nouveaux articles ([6] et [7]) et de nombreuses communications dans des conférences et
workshops, j’ai contribué à ouvrir une nouvelle direction de recherche théorique en découvrant
un lien profond entre la QCD à haute énergie et certains modèles bien connus des physiciens
statisticiens [1–5].
J’ai demandé ma mise à disposition auprès du département de physique de l’Université de
Florence pour ma seconde année (2004-2005). Le but principal était de poursuivre des travaux
engagés pendant mon premier postdoc de 2000 à 2002, qui concernaient la théorie de la gravitation à 2+1 dimensions, et qui n’avaient pas été achevés faute de temps. Nous devrions publier
nos résultats nouveaux sur le problème à 3 corps dans les mois qui viennent. Je me suis également
initié à d’autres aspects de la théorie de la gravitation, notamment aux collisions de particules
élémentaires aux énergies transplanckiennes, dont mon hôte, Marcello Ciafaloni, a été l’un des
pionniers (D. Amati, M. Ciafaloni and G. Veneziano, Phys. Lett. B 197, 81 (1987)). Pendant
cette année de mise à disposition, j’ai aussi et surtout poursuivi mes travaux en QCD.
Mes contributions publiées au cours de ces dernières années s’étendent dans deux directions
différentes : la théorie de la QCD, avec la découverte de liens entre QCD et physique statistique,
et la phénoménologie de la QCD auprès de l’accélérateur HERA. Je présente ces travaux dans
les paragraphes suivants, après une introduction générale au domaine.
Contexte général de mes recherches et état de l’art en 2003 La chromodynamique
quantique (QCD) est la théorie moderne des interactions fortes. Bien qu’elle ait été découverte
il y a plus de 30 ans, beaucoup de ses aspects parmi les plus importants ne sont toujours pas
bien compris. En particulier, des résultats expérimentaux anciens, tels que la croissance des
sections efficaces d’interaction proton-proton comme une petite puissance de l’énergie dans le
√
centre de masse s de la réaction, n’ont toujours pas d’explication théorique satisfaisante dans
le cadre de la QCD. Il en va de même pour la borne de Froissart, qui impose que cette croissance
ne soit pas plus forte que log2 s à des énergies plus hautes encore. Cette borne, obtenue avant
même que la QCD ne soit reconnue comme étant la “bonne” théorie des interactions fortes,
découle de l’unitarité de la matrice S. La réalisation de cette limite dans le cadre de la QCD
n’est pas encore comprise. D’autre part, la diffraction dure, découverte dans les années 1990 au
collisionneur électron-proton HERA, est un phénomène inattendu et a priori difficile à interpréter
dans le cadre de la QCD.
Les hadrons sont des assemblages de partons, quarks et gluons. Dans leur état asympto-
3
tique, les hadrons les plus répandus dans l’Univers, le proton et le neutron, sont composés de
trois quarks dits “de valence”. Ceux-ci peuvent cependant fluctuer en un nombre arbitraire de
partons : la probabilité de chacune de ces fluctuations est calculable en chromodynamique quantique. Cette probabilité dépend de la rapidité relative des hadrons en interaction, et des autres
échelles d’énergie pertinentes. Les partons peuvent être mis en évidence dans les expériences de
collision hadroniques, par exemple électron-proton ou proton-proton. Les taux de réaction, ou
les sections efficaces d’interaction, sont, en première approximation, proportionnels au nombre
de partons présents dans l’état de Fock des hadrons en présence à l’instant de l’interaction, dont
la probabilité peut a priori être calculée en QCD.
La difficulté théorique majeure réside dans le fait que la QCD est une théorie des champs en
interaction avec une constante de couplage forte αs , dont la valeur élevée n’autorise a priori pas
de développement perturbatif. Cependant, ce couplage tend vers zéro aux très petites distances.
Cette propriété, appelée liberté asymptotique, garantit que le développement perturbatif est
bien défini dès que les échelles d’énergie pertinentes sont grandes par rapport à l’échelle naturelle donnée par la masse typique des hadrons. Dès la fin des années 1970, le premier calcul
perturbatif de l’évolution des amplitudes de diffusion hadroniques, à l’ordre le plus bas en puissances de αs , a été effectué par Balitsky, Fadin, Kuraev et Lipatov. L’équation ainsi obtenue,
appelée équation BFKL, se présente sous la forme d’une équation intégro-différentielle linéaire,
qui décrit l’évolution des amplitudes de diffusion lorsque la rapidité relative des particules en
interaction augmente. On connaı̂t actuellement l’équation BFKL jusqu’au premier ordre sousdominant en puissances de αs (NLO). La résolution de l’équation BFKL à l’ordre NLO nous
apprend que les densités de partons croissent comme une puissance de l’énergie dans le centre de
masse, apparemment en bon accord avec les données expérimentales de diffusion profondément
inélastique photon-proton à HERA. Cependant, d’un point de vue théorique, cette équation
n’est pas compatible avec la borne de Froissart lorsqu’elle est extrapolée à très haute énergie, et
les expériences futures (LHC en premier lieu) devraient atteindre ce régime.
Le changement d’un comportement en loi de puissance en un comportement logarithmique,
imposé par la borne de Froissart, requiert l’introduction de termes non-linéaires dans l’équation
BFKL. Ces termes assurent que les densités de partons saturent à une valeur limite, et qu’ainsi,
l’unitarité de la matrice S soit préservée. L’équation correspondante a été écrite dès le début des
années 1980, par Gribov, Levin, Ryskin, puis a été démontrée plus tard par Mueller et Qiu dans
le cadre de la QCD. D’autres équations plus sophistiquées ont été établies plus récemment et justifiées rigoureusement en QCD par Balitsky d’abord, puis par Jalilian-Marian, Iancu, McLerran,
Weigert, Leonidov et Kovner (B-JIMWLK). Techniquement, ces équations se présentent sous la
forme d’une équation de Langevin, ou encore, de façon équivalente, sous forme d’une hiérarchie
infinie d’équations intégro-différentielles non-linéaires couplées. Une équation notablement plus
simple a été établie en 1996 par Balitsky et retrouvée en 1999 par Kovchegov (équation BK),
qui correspond à une limite des équations précédentes. Cependant, les conditions d’applicabilité
de cette équation n’ont jamais été très claires.
Parallèlement, Golec-Biernat et Wüsthoff ont montré phénoménologiquement que les effets
non-linéaires de saturation, négligés dans l’approche BFKL, pourraient jouer un rôle important
pour la description des données d’HERA. Leur observation, faite en 1999, a donné un nouveau
souffle au domaine. Leur modèle a ouvert la voie à la découverte d’une nouvelle loi d’échelle
dans les données de diffusion profondément inélastique d’HERA, appelée “scaling géométrique”.
Depuis, de nombreux travaux phénoménologiques ont visé à quantifier, par des méthodes directes
ou indirectes, ces effets de saturation (voir par exemple S. Munier, A.M. Stasto, A.H. Mueller,
Nucl. Phys. B 603, 427 (2001)). Le modèle de saturation de Golec-Biernat et Wusthoff rend
aussi compte des propriétés qualitatives des événements diffractifs observés à HERA.
Quelques progrès théoriques ont également été réalisés depuis dans la recherche de solutions
aux équations de saturation, essentiellement à l’aide de simulations numériques des équations
4
BK et B-JIMWLK, mais peu de résultats analytiques ont pu être obtenus.
Liens entre chromodynamique quantique et physique statistique (publications [1] à
[5]) Ma contribution la plus importante de ces dernières années concerne la compréhension et
la résolution des équations BK et B-JIMWLK.
Tout d’abord, j’ai remarqué en 2003 que l’équation de Balitsky-Kovchegov (BK) pouvait
s’écrire, dans la limite de haute énergie et pour une constante de couplage forte fixe, sous la
forme d’une équation aux dérivées partielles non-linéaire. Avec l’aide de Robert Peschanski, j’ai
compris que l’équation ainsi obtenue était, à un simple changement de variable près, l’équation
dite de diffusion non-linéaire, écrite pour la première fois en 1937 par Fisher et par Kolmogorov,
Petrovsky et Piscounov (FKPP). Cette dernière, initialement écrite pour décrire la propagation
de gènes favorables au sein d’une population, apparaı̂t dans différents contextes, notamment
en chimie (réaction-diffusion), biologie (épidémiologie, génétique), anthropologie (évolution de
populations), mécanique des fluides, et définit donc une très vaste classe d’universalité. Elle
fait intervenir une variable d’évolution temporelle t, que l’on a identifiée à la rapidité Y dans le
problème de QCD, et une variable d’espace x que est à peu de chose près log k 2 , où k est l’impulsion transverse du parton mesuré. Des solutions rigoureuses à cette équation ne sont connues que
depuis le milieu des années 1980. Essentiellement, cette équation admet pour solution des ondes
voyageuses. Nous avons montré que cette propriété était équivalente au phénomène de scaling
géométrique observé précédemment dans les données expérimentales l’HERA. Cette remarque
a fait l’objet d’une publication en 2003 dans Physical Review Letters [2]. Elle a ouvert la voie
à une résolution systématique de l’équation BK, que nous avons détaillée dans deux articles
ultérieurs ([4] et [5]). Dans ces articles, nous avons également étendu notre étude au cas de la
constante de couplage variable, qui appartient à une classe d’universalité légèrement différente,
mais que l’on a pu traiter par une méthode inspirée du cas de l’équation FKPP.
Dans un deuxième temps, je me suis rendu compte début 2004 que cette analogie avec les
équations de la physique statistique était bien plus que formelle. Après une fructueuse discussion
avec Eric Brunet et Bernard Derrida, j’ai réalisé que l’évolution des amplitudes de diffusion avec
l’énergie dans le modèle des partons était exactement équivalente à l’évolution temporelle de
systèmes de type réaction-diffusion. Cette identification de la classe d’universalité de la QCD à
haute énergie, établie sur la base d’arguments physiques, permet d’exploiter les résultats les plus
récents sur les processus de réaction-diffusion et d’appliquer toute la puissance des méthodes
de physique statistique au calcul des propriétés des amplitudes de diffusion en QCD à haute
énergie.
La série d’articles publiée sur le sujet [1-5] représente une contribution de première importance à la QCD à haute énergie. D’une part, on a obtenu des résultats exacts de QCD dans la
limite αs → 0 et Y → ∞. D’autre part, ces études ont apporté un éclairage nouveau sur un
problème ancien, et ont d’ores et déjà permis de faire évoluer considérablement la compréhension
du problème des fluctuations, qui distingue les équations BK et B-JIMWLK, et dont l’origine
était obscure avant nos travaux. Cette nouvelle approche à la QCD à haute énergie est une importante source d’inspiration pour la communauté : l’ensemble de ces travaux, initiés fin 2003, a
déjà recueilli près de 200 citations au 1er septembre 2005 (source : SPIRES). La reconnaissance
par la communauté internationale peut également se mesurer au nombre d’invitations à des
workshops et conférences dont j’ai bénéficié (et que je n’ai pas toujours pu honorer) : participation à des workshops au Brookhaven National Laboratory à l’été 2004 et au printemps 2005,
cours à l’école de physique des particules de Zakopane et conférence de Blois au printemps 2005,
participation à un workshop à Seattle en 2006. D’autre part, une proposition de workshop au
nouvel institut Galileo Galilei de Florence a été déposée pour 2007 par Jean-Paul Blaizot et Al
Mueller, qui inclut explicitement une session sur la correspondance QCD/physique statistique.
Je tiens à souligner qu’il s’agit d’une contribution essentiellement personnelle sur le fond,
5
bien que ces travaux aient été finalisés avec différents collaborateurs.
Phénoménologie de la chromodynamique quantique à haute énergie Les résultats
expérimentaux d’HERA ont révélé un phénomène surprenant : dans un grand nombre d’interactions electron-proton observées, le proton sort indemne de la collision, alors que l’on s’attendrait
à ce qu’il se désintègre en de nombreuses particules sous la violence du choc.
L’image physique qui s’est imposée pour décrire ce phénomène est la suivante : l’électron
interagit avec le proton par l’intermédiaire d’un photon virtuel, qui lui-même apparaı̂t au proton, en première approximation, sous la forme une paire quark-antiquark. Pour que le proton
soit conservé, l’interaction de ce système doit se faire par le biais de l’échange d’un objet singulet de couleur, par exemple une paire de gluons (accompagnée de toutes ses corrections radiatives). Cette image, appelée modèle des dipôles, est à la base du modèle de Golec-Biernat
et Wusthoff, qui l’ont aussi appliquée à la diffraction dure. Cependant, ils avaient négligé une
région cinématique dans laquelle les produits de dissociation du photon ont une masse totale
très grande, dans laquelle les états de Fock d’ordre supérieur (quark-antiquark-gluon, etc...) dominent la section efficace. Récemment, les expérimentateurs ont obtenu des résultats dans cette
région cinématique précisément. Avec Arif Shoshi, nous avons étendu le modèle de Golec-Biernat
et Wusthoff de manière à en tenir compte, et nos prédictions rendent compte correctement des
données expérimentales les plus récentes. Notre travail [6] a également révélé que ces observables
de diffraction sont très sensibles à la forme précise des amplitudes de QCD dans la région de saturation et ainsi, la confrontation théorie-expérience constituera un test intéressant des avancées
théoriques à venir en QCD à haute énergie. Nos travaux ont suscité un certain intérêt de la part
des expérimentateurs d’HERA.
J’ai aussi participé à l’élaboration d’un nouveau modèle de saturation pour décrire les
résultats expérimentaux d’HERA [7]. Les résultats phénoménologiques obtenus et les enseignements physiques tirés diffèrent assez peu de ceux du modèle original de Golec-Biernat et
Wusthoff. Notre modèle est cependant mieux motivé d’un point de vue théorique, puisqu’il incorpore les résultats les plus récents sur les équations d’évolution de la QCD. Il conduit à une
excellente description des résultats expérimentaux d’HERA. Bien qu’il s’agisse d’un travail assez
“classique”, il a reçu un accueil chaleureux de la part de la communauté, et a déjà recueilli près
de 50 citations (source : SPIRES).
Liste des publications
Les publications listées ci-dessous sont classées par ordre d’importance dans chacunes des
rubriques. L’ensemble des articles et compte-rendus de conférence sont consultables sur la base
de données SPIRES à l’adresse http ://www.slac.stanford.edu/spires/hep/.
1. Revues à comité de lecture
[1] E. Iancu, A. H. Mueller and S. Munier, “Universal behavior of QCD amplitudes at
high energy from general tools of statistical physics,” Phys. Lett. B 606, 342 (2005)
[arXiv :hep-ph/0410018].
[2] S. Munier and R. Peschanski, “Geometric scaling as traveling waves,” Phys. Rev.
Lett. 91, 232001 (2003) [arXiv :hep-ph/0309177].
[3] R. Enberg, K. Golec-Biernat and S. Munier, “The high energy asymptotics of scattering processes in QCD,” arXiv :hep-ph/0505101, soumis à Phys. Rev. D.
[4] S. Munier and R. Peschanski, “Traveling wave fronts and the transition to saturation,” Phys. Rev. D 69, 034008 (2004) [arXiv :hep-ph/0310357].
[5] S. Munier and R. Peschanski, “Universality and tree structure of high energy QCD,”
Phys. Rev. D 70, 077503 (2004) [arXiv :hep-ph/0401215].
6
[6] S. Munier and A. Shoshi, “Diffractive photon dissociation in the saturation regime
from the Good and Walker picture,” Phys. Rev. D 69, 074022 (2004) [arXiv :hepph/0312022].
[7] E. Iancu, K. Itakura and S. Munier, “Saturation and BFKL dynamics in the HERA
data at small x,” Phys. Lett. B 590, 199 (2004) [arXiv :hep-ph/0310338].
2. Conférences invitées dans des congrès
[C1] S. Munier, “High energy scattering in QCD as a statistical process,” 10th International Conference on Structure of Baryons (Baryons 2004), Palaiseau, France, 25-29
octobre 2004, Nucl. Phys. A 755, 622 (2005) [arXiv :hep-ph/0501149].
[C2] S. Munier, “New insights in high energy QCD from general tools of statistical physics,” 9èmes rencontres Claude Itzykson, Saclay, France, 9-11 juin 2004.
[C3] S. Munier and A. Shoshi, “Diffractive photon dissociation in the saturation regime,”
12th International Workshop on Deep Inelastic Scattering (DIS 2004), S̆trbske Pleso,
Slovaquie, 14-18 avril 2004, arXiv :hep-ph/0408038.
6. Séminaires, workshops
[S1] Brookhaven National Laboratory, séminaire en deux parties dans le cadre du
“Theory Summer Program on RHIC Physics”, 17 et 24 juillet 2004 : “New insights
in high energy QCD from general tools of statistical physics”.
[S2] Université de Varsovie, séminaire général du département de physique, 2004 : “High
energy scattering in QCD”.
[S3] Université de Varsovie, séminaire du groupe théorie, 2004 : “High energy QCD and
statistical physics”.
[S4] Institut de physique nucléaire de Cracovie, séminaire du groupe théorie, 2004 : “High
energy QCD and statistical physics”.
[S5] Florence, séminaire du groupe théorie du département de physique, 13 octobre 2004 :
“Universal behavior of QCD amplitudes at high energy from general tools of statistical physics”.
[S6] Orsay, séminaire d’intérêt général du Laboratoire de Physique Théorique, 9 février
2005 : “La correspondance QCD à haute énergie/physique statistique et ses implications”.
[S7] CERN, exposé de revue dans le cadre du workshop “From HERA to LHC”, 26 mars
2004 : “Overview of small x theory”.
[S8] CERN, exposé dans le cadre du workshop “From HERA to LHC”, 27 mars 2004 :
“Saturation and BFKL dynamics in the HERA data at small x”.
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A.3
Enseignement, formation et diffusion de la culture scientifique
De janvier à juin 2004, j’ai contribué à encadrer Rikard Enberg, postdoc du groupe de physique des particules du CPHT. Je l’ai initié à la saturation et à la correspondance QCD/physique
statistique que j’étais en train d’élaborer. Nos discussions ont abouti à un article commun [3], et
nos résultats ont été présentés par Rikard Enberg dans plusieurs conférences. Il a pu valoriser les
connaissances acquises et le programme informatique que nous avons développé ensemble (voir
http ://www.isv.uu.se/~enberg/BK/) dans d’autres collaborations, notamment avec Robert
Peschanski. Rikard Enberg est actuellement postdoc au Lawrence Berkeley National Laboratory.
L’un des travaux de phénoménologie [6] a été réalisé en collaboration avec Arif Shoshi, alors
étudiant en thèse à l’Université de Heidelberg. Je l’ai initié aux méthodes de la QCD à haute
énergie et à la problématique de la diffraction dure. Arif Shoshi vient de terminer un postdoc
à l’Université Columbia de New York, pour lequel notre travail commun a constitué une bonne
introduction, et a obtenu un contrat de recherche de 5 ans auprès de l’Université de Bielefeld,
avec pour mission de mettre sur pied un nouveau groupe de recherche.
A.5
Encadrement, animation et management de la recherche
J’ai participé aux comités de lecture des revues suivantes, en tant que referee : Nuclear
Physics A, Physics Letters B, JHEP, et Physical Review D.
De décembre 2003 à juin 2004, j’ai organisé le séminaire hebdomadaire commun au CPHT
et à l’IPN Orsay.
8