Characterizing the non-equilibrium quark-gluon plasma with photons and hadrons

Heavy ion collisions can be used to study the properties of nuclear matter in extreme conditions. These events concentrate enough energy in a small volume to melt the colliding nuclei into a plasma of quarks and gluons. This plasma appears to achieve near local thermal equilibrium during its very short lifetime, allowing for its long scale properties to be investigated with hydrodynamics. In this thesis, the production of hadrons and photons in heavy ion collisions is studied using a sophisticated hydrodynamical model that includes realistic initial conditions, hydrodynamical equations with both shear and bulk viscosities, along with an appropriate treatment of final state hadronic rescatterings. A wide range of hadronic observables, measured at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and the Large Hadron Collider (LHC), are shown to be described well by this model, and bulk viscosity is found to be essential to this level of agreement with data. Building on this successful model, direct photon production in heavy ion collisions is studied. The effect on photon emission of the emitting medium's viscosity is investigated, and the method for evaluating direct photon momentum anisotropies for comparisons with experimental measurements is clarified. Both the direct photon spectrum and momentum anisotropy are shown to be within or slightly below the uncertainties of available experimental measurements.Les collisions d'ions lourds peuvent être utilisées pour étudier les propiétés de la matière nucléaire soumise à des conditions extrêmes. Ces collisions concentrent suffisament d'énergie à l'intérieur d'un volume réduit pour faire fondre les noyaux qui entrent en collision, produisant ainsi un plasma de quarks et de gluons. Ce plasma semble atteindre rapidement un équilibre thermique local, permettant d'étudier ses propriétés à l'aide d'une approche hydrodynamique. Dans cette thèse, la production de hadrons et de photons dans les collisions d'ions lourds est étudiée à l'aide d'un modèle hydrodynamique sophistiqué qui inclut des conditions initiales réalistes, des équations hydrodynamiques complètes avec viscosités de cisaillement et de volume, ainsi qu'un traitement approprié des interactions finales des hadrons. Ce modèle est comparé avec succès à plusieurs observables hadroniques mesurées au "Relativistic Heavy Ion Collider" (RHIC) et au Grand collisionneur de hadrons (LHC), et il est montré que la viscosité de volume est essentielle à ce succès. à l'aide de ce même modèle hydrodynamique, la production de photons directs dans les collisions d'ions lourds est étudiée. L'effet de la viscosité sur le taux de production des photons est étudié, et la méthode pour calculer l'anisotropie en quantité de mouvement des photons directs est clarifiée. Il est montré que le calcul du spectre et de l'anisotropie des photons directs est à l'intérieur de l'incertitude des mesures expérimentales ou légèrement inférieurs à celles-ci