Published June 20, 2016 | Version v1
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Fluctuations in high-energy particle collisions

Description

We study fluctuations that are omnipresent in high-energy particle collisions. These fluctuations can be either of either classical or quantum origin and we will study both. Firstly, we consider the type of quantum fluctuations that arise in proton-proton collisions. These are computable perturbatively in quantum field theory and we will focus on a specific class of diagrams in this set-up. Secondly, we will consider the fluctuations that are present in collisions between nuclei that can be heavier than protons. These are the quantum laws of nature that describe the positions of nucleons within a nucleus, but also the hydrodynamic fluctuations of classical, thermal origin that affect the evolution of the medium produced in heavy-ion collisions. The fluctuations arising in proton-proton collisions can be computed analytically up to a certain order in perturbative quantum field theory. We will focus on one-loop diagrams of a fixed topology. Loop diagrams give rise to integrals that typically are hard to evaluate. We show how modern mathematical methods can be used to ease their computation. We will study the relations among unitarity cuts of a diagram, the discontinuity across the corresponding branch cut and the coproduct. We show how the original integral corresponding to a given diagram can be reconstructed from the information contained in the coproduct. We expect that these methods can be applied to solve more complicated topologies and help in the computation of new amplitudes in the future. Finally, we study the two types of fluctuations arising in heavy-ion collisions. These are related either to the initial state or the intermediate state of matter produced in such collisions. The initial state fluctuations are experimentally observed to give rise to non-Gaussianities in the final-state spectra. We show how these non-Gaussianities can be explained by the random position and interaction energy of 'sources' in the colliding nuclei. Furthermore, we investigate the effect of hydrodynamical noise in the evolution of the medium produced just after a collision. This medium behaves like a fluid with a very low viscosity, and so the corresponding evolution is hydrodynamical. (author)

Abstract (French)

Nous etudions des fluctuations qui sont omnipresentes dans des collisions entre particules aux hautes energies. Ces fluctuations peuvent etre de nature classique ou quantique et nous allons considerer ces deux cas. D'abord, nous etudions les fluctuations quantiques qui sont presentes dans des collisions entre protons. Celles-ci sont calculables en theorie quantique des champs, et nous allons nous concentrer sur une certaine classe de diagrammes dans ce cadre. Dans un second temps nous allons etudier des fluctuations qui sont presentes dans des collisions entre particules plus lourdes que le proton. Celles-ci sont decrites par les lois quantiques de la nature qui donnent les positions des nucleons dans le noyau, ou bien des fluctuations classiques, d'origine thermique, qui affectent l'evolution hydrodynamique du milieu produit dans une collision. Les fluctuations dans des collisions entre protons peuvent etre calculees analytiquement jusqu'a un certain ordre en theorie quantique des champs. Nous allons nous concentrer sur des diagrammes a une boucle, d'une topologie donnee. Ces diagrammes aux boucles donnent des integrales, qui typiquement sont difficiles a calculer. Nous allons demontrer comment des outils des mathematiques modernes peuvent etre utilises pour faciliter leur evaluation. En particulier, nous allons etudier des relations entre des coupures d'un diagramme, la discontinuite a travers d'un branchement et le coproduit. Nous allons demontrer comment l'integrale originale peut etre reconstruit a partir de l'information contenue dans le coproduit. Nous nous attendons a ce que ces methodes seront utiles pour le calcul des diagrammes avec des topologies plus difficiles et ainsi aident au calcul des nouvelles amplitudes de diffusion. A la fin, nous etudions les deux types de fluctuations qui ont lieu dans des collisions entre ions lourds. Celles-ci sont liees soit a l'etat initial de la matiere, soit a l'etat intermediaire produit dans une telle collision. Les fluctuations de l'etat initial ont ete mesurees experimentalement, et on voit qu'elles donnent lieu a des non-Gaussianites dans le spectre final de particules. Nous allons demontrer comment ces non-Gaussianites peuvent etre comprises comme des positions et des energies d'interaction aleatoires des 'sources' dans les noyaux entrant en collision. En plus, nous etudions le bruit hydrodynamique dans le milieu produit juste apres une collision. Le comportement de ce milieu est celui d'un fluide a basse viscosite

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Original title (French)
Fluctuations dans des collisions entre particules aux hautes energies

Publishing Information

Imprint Pagination
286 p.
Report number
FRCEA-TH--9278

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Notes
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