Habilitation Diriger des Recherches Universit Blaise Pascal 10
Habilitation à Diriger des Recherches, Université Blaise Pascal, 10 janvier 2008 Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultrarelativistes Philippe Rosnet Laboratoire de Physique Corpusculaire (Université Blaise Pascal – CNRS/IN 2 P 3)
Activités de recherche depuis la thèse (1997) Ø Jusqu’à 1999 : expérience ALEPH@LEP • finalisation de la publication sur l’élément de matrice CKM : |Vub| • participation au LEP Heavy Flavour Working Group pour établir une valeur moyenne LEP de |Vub| Ø Entre 1998 et 2000 : expérience ATLAS@LHC • étude du système de distribution des hautes tensions du calorimètre à tuiles (Tile. Cal) d’ATLAS • tests du système de refroidissement de l’électronique du Tile. Cal Ø Depuis 2000 : expérience ALICE@LHC Ø Depuis 2001 : expérience PHENIX@RHIC } Physique des ions lourds
Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes Ø Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes • Pourquoi des collisions d’ions lourds ? • Production des saveurs lourdes • Les saveurs lourdes dans la matière nucléaire Ø Expérience PHENIX au RHIC • Conditions expérimentales • Principaux résultats obtenus • Étude du continuum physique dimuon Ø Expérience ALICE au LHC • Le détecteur ALICE et son spectromètre à muons • L’électronique frontale du système de déclenchement des muons • Production des quarkonia dans le canal dimuon Ø Conclusions et perspectives
Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes QCD et liberté asymptotique L’interaction forte entre les quarks est décrite par la chromodynamique quantique g (QCD), basée sur le groupe de symétrie SU(3)c : qa qb q constante de couplage de la forme PDG, Phys. Lett. B 592 (2004) nombre de couleurs Nc=3 nombre de saveurs q expérimentalement Nf = 6 s( ) décroit quand augmente q à basse énergie QCD les quarks interagissent fortement : confinement q à très haute énergie >> QCD les quarks et les gluons interagissent peu : liberté asymptotique
Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Transition de phase de QCD Prédiction d’un diagramme de phase par QCD sur réseau : § transition du premier ordre à grand potentiel chimique baryonique B § existence d’un point Karsch and Laermann, hep-lat/0305025 critique § transition de phase à faible potentiel chimique baryonique de type ‘crossover’ à B = 0 Étude en laboratoire à l’aide des collisions d’ions lourds ultra-relativistes
Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Conditions dans les collisions d’ions lourds Densité d’énergie de la matière nucléaire créée dans une collision d’ions lourds ultra-relativistes : formule de Bjorken Machine SPS RHIC LHC Système Pb-Pb Au-Au Pb-Pb s. NN 17. 2 Ge. V 200 Ge. V 5. 5 Te. V 12 28 Les conditions de déconfinement semble être réunies dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes depuis les expériences CERN-SPS, mais avec de meilleurs conditions au BNL-RHIC et surtout à venir au CERN-LHC Satz, J. Phys. G 32 (2006) R 25
Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Mécanismes de production des saveurs lourdes Processus de production dans les collisions nucléon-nucléon : § à l’ordre dominant (LO) • annihilation quark-antiquark : qq QQ • fusion de gluons : gg QQ avec une production dos-à-dos dans le plan transverse : § à l’ordre suivant (NLO) • qq avec rayonnement de gluon • gg avec excitation de saveur • gg avec gluon ‘splitting’ avec des corrélations angulaires dans le plan transverse : 0 Fonctions de distribution partonique dans le proton : x fparton(x, Q 2)
Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Hadrons lourds : HQ = D 0, D , c, B 0, B , b, … Sections efficaces différentielles de production des hadrons lourds : Fonctions de distribution partonique Section efficace différentielle du processus partonique Fonction de fragmentation des quarks lourds Incertitudes théoriques dans les collisions p-p à s = 14 Te. V Bon accord avec les collisions p-p au Tevatron (CDF) à s = 1. 96 Te. V HERA-LHC workshop, hep-ph/0601164 Cacciari et al. , JHEP 07 (2004) 033 Production de mésons beaux
Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Quarkonia : J/ , ’, ’’ Mode de production décrit par différentes approches pour la partie non perturbative Berger et al. , de QCD liée à la neutralisation de la couleur : Int. J. Mod. Phys. A 20 (2005) 3735 q par gluon mou dans le Color Evaporation Model (CEM) : pas de polarisation q par gluon dur dans le Color Octet Model (COM ou NRQCD) : quarkonia polarisés Production de dans les collisions p-p au Tevatron (D 0) à s = 1. 8 Te. V Sections efficaces de production des quarkonia (intervalle de prédiction) : NQuarkonia < 1 % NQQ
Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Effets nucléaires froids Effets d’état initial : Ø Les nucléons qui interagissent dans les collisions noyau-noyau ne sont initialement pas libres modification des fonctions de distribution partonique : shadowing Ø Avant d’interagir inélastiquement, les partons subissent des diffusions multiples lors de la traversée du noyau distorsion des spectres en p. T : effet Cronin Effet d’état final : Rapport fg. A(x, Q 2) / fg. N(x, Q 2) pour un noyau de plomb Eskola et al. , Nucl. Phys. B 535 (1998)351 shadowing anti-shadowing Ø Le temps de formation des quarks lourds est très court : f 0. 1 fm/c les quarkonia peuvent donc interagir avec les nucléons en traversant le noyau : absorption nucléaire normale des quarkonia
Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Évolution dans un milieu déconfiné q Perte d’énergie des quarks lourds : § par diffusions multiples Q + (q, g) g § par rayonnement de gluons g Q(p. T) Q(p’T) q Suppression des quarkonia par écrantage de couleur : tension de la corde de couleur masse effective des gluons dans le QGP rayon d’écrantage r. D = 1 / µ(T) q Augmentation des quarkonia par hadronisation statistique : nombre de paires de quarks lourds produites dans les collisions les plus centrales J/ A. Andronic et al. , Phys. Lett. B 751 (2003) 36
Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes Intérêt des dimuons pour l’étude des saveurs lourdes Ø Dilepton = sonde électromagnétique o pas sensible au milieu nucléaire qu’il traverse o renseigne directement sur le milieu dans lequel il est produit d. N/dmµµ Ø Production de dileptons dans les collisions p-p q processus Drell-Yan : q + q /Z µ+ µq désintégration des mésons vecteurs : ( , , ) µ+ µq désintégration semi-leptonique des hadrons lourds : c + c (µ+ X) (µ- Y) b c µLe spectre en masse des µ+ dimuons est riche en q quarkonia : informations physiques (J/ , ’, ’’) µ+ µØ Production de dileptons thermiques dans un QGP charme beauté mµµ
Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes Ø Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes • Pourquoi des collisions d’ions lourds ? • Production des saveurs lourdes • Les saveurs lourdes dans la matière nucléaire Ø Expérience PHENIX au RHIC • Conditions expérimentales • Principaux résultats obtenus • Étude du continuum physique dimuon Ø Expérience ALICE au LHC • Le détecteur ALICE et son spectromètre à muons • L’électronique frontale du système de déclenchement des muons • Production des quarkonia dans le canal dimuon Ø Conclusions et perspectives
Expérience PHENIX au RHIC Le collisionneur RHIC : Relativistic Heavy Ion Collider ü situé au Brookhaven National Laboratory (près de New York) ü premier collisionneur d’ions lourds au monde Type de faisceau Énergie maximale Polarisation nominale Luminosité nominale p 250 Ge. V 70 % 1. 4 1031 cm-2 s-1 Au 100 Ge. V/N - 2 1026 cm-2 s-1 ü 4 expériences initialement : o BRAHMS (arrêtée en 2006) identification des hadrons chargés sur un large domaine en rapidité o PHENIX le plus « complet » avec une spécialisation dans les sondes électromagnétiques o PHOBOS (arrêtée en 2005) couverture en rapidité la plus grande pour les particules chargées o STAR conçue pour l’identification et la reconstruction des hadrons chargés à mi-rapidité avec vertexing
Expérience PHENIX au RHIC Le détecteur PHENIX o Collaboration de 550 scientifiques de 69 instituts (14 pays) o Deux bras centraux ‘West’ et ‘East’ d’acceptance | | < 0. 35 et = 90° pour l’identification et la reconstruction des hadrons chargés, des électrons et des photons o Deux bras avant ‘South’ et ‘North’ d’acceptance 1. 15 < | | 2. 3 et = 360° pour la reconstruction des muons o Des détecteurs globaux (BB, ZDC) pour le déclenchement du système de détection, la localisation du point d’interaction et la détermination de la centralité de la collision
Expérience PHENIX au RHIC Caractéristiques globales Ø Mesure des taux de production de particules chargées à différentes énergies : d. Nch/d | =0 650 à s. NN = 200 Ge. V Extrapolation pour le LHC ( s. NN = 5. 5 Te. V) : d. Nch/dy|y=0 = 1400 – 3200 Ø Suppression des hadrons à grande rapidité en accord avec l’approche PHOBOS Collaboration, Nucl. Phys. A 757 (2005) 28 du Color Glass Condensate (CGC) Ø Estimation de la densité d’énergie initiale du système : 0 15 Ge. V/fm 3 à 0 0. 35 fm/c
Expérience PHENIX au RHIC Effets collectifs Ø Caractéristiques du système au freeze-out chimique par l’étude des rapports de production des particules : Ø Flow elliptique (v 2) = asymétrie de pression de la « boule de feu » même évolution de la fraction de v 2 en fonction de la fraction de p. T pour toutes les particules développement au niveau partonique Résultats décrits par les modèles hydrodynamiques incluant une Eo. S de type QGP avec un temps de thermalisation : th 0. 6 – 1. 0 fm/c STAR Collaboration, Phys. Rev. C 72 (2005) 014904
Expérience PHENIX au RHIC Sondes dures Ø Suppression des hadrons de haut p. T (pas pour les photons) quantifiée par le rapport de modification nucléaire : D. d’Enterria, J. Phys. G 34(2005) S 53 superposition incohérente de collisions p-p perte d’énergie des partons dans un milieu de grande densité gluonique collisions centrales Au-Au Ø Suppression similaire observée pour les e de saveurs lourdes : théoriquement d. E/dx|Q < d. E/dx|q • corrections liées au rapport baryon/méson PHENIX Collaboratio, Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 172301 • certaines pertes d’énergie pas/mal prises en compte correctement ?
Expérience PHENIX au RHIC Quarkonia Ø Étude du rapport de modification nucléaire RAA du J/ : q résultats au RHIC similaires à ceux du SPS § suppression séquentielle de type écrantage de couleur ? § intervention de l’hadronisation statistique ? q suppression plus importante à grande rapidité : en contradiction avec les prédictions de l’écrantage de couleur Ø Nécessité de mieux comprendre les effets nucléaires froids : shadowing / absorption nucléaire normale collisions d-Au (Run-8)
Expérience PHENIX au RHIC Étude du continuum dimuon dans les collisions p-p [PHENIX-AN-488] Stratégie d’analyse [S. Gadrat, Thèse de Doctorat de l’UBP, 2005] : ü simulation des contributions avec Pythia : Drell-Yan, charme et beauté ü passage dans la simulation complète de PHENIX spectre p. DST ü détermination des différentes formes : fonctions de forme ü soustraction du bruit de fond : Nsgn = Ntot – Nbkg avec Nbkg = 2 N++ N-ü ajustement des données expérimentales avec comme paramètres libres la normalisation des différentes contributions : Run-3&4
Expérience PHENIX au RHIC Fonction de réponse différentielle pour les dimuons Principe de la fonction de réponse différentielle en masse : • pour chaque bin en masse du spectre Pythia [M-d. M/2 ; M+d. M/2] : N(M) Probabilité de reconstruction • détermination de la distribution gaussienne au niveau p. DST : NM(m ; m, m) • probabilité de reconstruction : Résolution en mase J/ 170 Me. V/c 2
Expérience PHENIX au RHIC Étude des incertitudes systématiques Sources de systématiques : § instrumentales sur l’efficacité de reconstruction analyse J/ § sur les nombres d’événements rendus par l’ajustement • technique de soustraction du bruit de fond brut versus fitté • mauvaise connaissance des fonctions de forme : PDF, m. Q, …
Expérience PHENIX au RHIC Sections efficaces totales Section efficace totale pour un process donné : Section efficace inélastique p-p Nombre d’events donné par l’ajustement Acceptance géométrique Rapport de branchement en dimuon Résultats : Efficacité de reconstruction Nombre d’events Minimum Bias Intervalle de détection en pseudo-rapidité
Expérience PHENIX au RHIC Perspectives pour l’analyse du continuum dimuon Travail poursuivi par G. Roche et des collègues de BARC (Inde) : v Analyse des données à plus haute statistique : Run-6 = 17 Run-3&4 • simulations refaites avec le nouveau framework • beauté non contrainte dans l’ajustement • évaluation des efficacités pour obtenir les sections efficaces v Comparaison des données à d’autres variables : p. T Simulations avec l’ancien framework
Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes Ø Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes • Pourquoi des collisions d’ions lourds ? • Production des saveurs lourdes • Les saveurs lourdes dans la matière nucléaire Ø Expérience PHENIX au RHIC • Conditions expérimentales • Principaux résultats obtenus • Étude du continuum physique dimuon Ø Expérience ALICE au LHC • Le détecteur ALICE et son spectromètre à muons • L’électronique frontale du système de déclenchement des muons • Production des quarkonia dans le canal dimuon Ø Conclusions et perspectives
Expérience ALICE au LHC Le programme de physique du LHC : Large Hadron Collider ü recherche du boson de Higgs, de la supersymétrie, de dimensions supplémentaires, … ATLAS et CMS ü problématique de la violation de la symétrie CP dans le système des hadrons beaux LHCb (ATLAS et CMS) ü étude de la QCD dans des conditions thermodynamiques extrêmes (QGP) ALICE (ATLAS et CMS) Collisions Pb-Pb à s. NN = 5. 5 Te. V Complémentarité des expériences LHC pour la physique des saveurs lourdes collisions p-p à s = 14 Te. V
Expérience ALICE au LHC Le détecteur ALICE 1000 scientifiques de 80 instituts (30 pays) Détecteurs globaux à grand : • déclenchement • centralité Partie centrale | | 0. 9 : • hadrons • électrons • photons Spectromètre à muons -4 -2. 4 § tracking (1. 1 106 ch) : reconstruire les dimuons avec une résolution m = 100 Me. V/c 2 pour mµµ = 10 Ge. V/c 2 § trigger (21 103 ch) : déclencher sur des muons à moins de 1 k. Hz pour le L 0
Expérience ALICE au LHC Le système de déclenchement du spectromètre à muons Sélection des muons par leur déviation qui est fonction de leur p. T à 16 m du point d’interaction = 72 RPC et Da. Q Collaboration entre : • INFN-Torino • LPC-Clermont • Subatech-Nantes
Expérience ALICE au LHC Les RPCs Chambres à plaques résistives ou Resistive Plate Chamber (RPC) : q 2 plaques de bakélite de 2 mm d’épaisseur ( 109 cm) q gap de gaz de 2 mm (avec 50% d’humidité relative) : § streamer = 51% Ar + 41% C 2 H 2 F 4 + 7% i. C 4 H 10 + 1% SF 6 § avalanche = 89. 7% C 2 H 2 F 4 + 10% i. C 4 H 10 + 0. 3% SF 6 q haute tension § streamer 8 k. V § avalanche 10 k. V q 20992 strips de lecture § plan (X, Z) 1, 2, 4 cm § plan (Y, Z) 2, 4 cm CERN Courier, Vol. 47, Dec. 2007
Expérience ALICE au LHC La résolution spatiale des RPC [NIMA 490 (2002) 51] Étude de la résolution spatiale à l’aide de faisceaux tests du CERN-PS : en accord avec une loi uniforme w w / 12 pour des strips de largeur w Probabilité de ‘‘déclenchement’’ d’un strip xstr impact du muon sur la RPC Comparaison des tailles de clusters avec un Monte-Carlo basé sur la probabilité de déclenchement : implémentation dans Ali. Root Data MC
Expérience ALICE au LHC L’électronique du système de déclenchement des muons Récupérer les 20992 signaux dans une fenêtre < 25 ns Décisions fournie au Central Trigger Processor (CTP) : 800 ns après la collision
Expérience ALICE au LHC L’électronique frontale du système de déclenchement des muons (1) [ALICE-EN-2003 -020] 10 m. V RPC signal 80 m. V Ø 10 types de cartes : Front-End Boards (FEB) : • strips 1, 2, 4 cm en X et 2, 4 cm en Y • 2 stations homothétiques Ø 5 délais possibles pour des longueurs de câble différentes (entre 14 et 20 m) Principe du circuit intégré ADULT : A DUa. L Threshold
Expérience ALICE au LHC L’électronique frontale du système de déclenchement des muons (2) [IEEE-TNS Vol. 52, August 2005] Banc de test pour la production : o caractérisation des 3600 ASICs produits : • 6% HS initialement • 4% changés après câblage des FEBs o mesure d’une douzaine de paramètres par voie sur les 2800 FEBs produites ( 10% réparées)
Expérience ALICE au LHC L’électronique frontale du système de déclenchement des muons (3) Caractéristiques de la production initiale et de la production additionnelle ( 400 spares) : Ø temps de réponse moyen plus court : réglable à l’aide du potentiomètre sur les FEBs Ø largeur du signal de sortie plus petite : réglable par ajout d’un régulateur sur les FEBs Ø amplitude du signal de sortie similaire Ø dispersion temporelle entre les 8 voies d’un même ASIC identique Temps de réponse des voies Largeur du signal de sortie Dispersion temporelle Amplitude du signal de sortie
Expérience ALICE au LHC L’électronique frontale du système de déclenchement des muons (4) Mesure de la dispersion du timing de l’électronique après installation : • utilisation du système de test FET pour injecter des signaux sur les FEBs 94% • relecture à travers la chaîne électronique complète : cartes Local + Regional + DARC • variation de la phase d’horloge des signaux FET par pas de 1 ns • test de 15/16 94% des Regional crates et avec quelques cartes FEBs manquantes • 2 voies HS / 20992 : problèmes de câbles Plateau de réglage d’environ 12 ns
Expérience ALICE au LHC Performances du système de déclenchement des muons (1) [ALICE-INT-2006 -0002] [F. Guérin, Thèse de doctorat de l’UBP, 2006] Étude de l’efficacité de déclenchement pour les quarkonia à l’aide de simulations complètes utilisant des paramétrisations : AJ/ = 5. 8% et A = 4. 9% Ø distributions en p. T du Tevatron extrapolées au LHC à l’aide du CEM Ø distributions en rapidité du CEM J/ = 71% Rejet de 87% du Bkg Efficacités pour des muons qui touchent au moins 3 plans sur 4 : ü pour le J/ avec une coupure p. Tµ 1 Ge. V/c ü pour le avec une coupure p. Tµ 2 Ge. V/c = 88% Rejet de 96% du Bkg
Expérience ALICE au LHC Performances du système de déclenchement des muons (2) Simulation des principales sources de muons : ü pions et kaons : paramétrisation de Hijing avec d. Nch/d | =0 = 5800 ü saveurs lourdes : Pythia ü quarkonia : c, J/ , ’… b, , ’’… Conditions expérimentales : § Lpp = 3 1030 cm-2 s-1 avec pp = 70 mb à s = 14 Te. V § LAr. Ar = 5 1028 cm-2 s-1 avec Ar. Ar = 2700 mb à s. NN = 8. 8 Te. V § LPb. Pb = 5 1026 cm-2 s-1 avec Pb. Pb = 7700 mb à s. NN = 5. 5 Te. V Le taux de déclenchement en dimuons de signe opposé pour des événements MB est inférieurs à 1 k. Hz • f. J/ 1 Hz pour p. Tµ 1 Ge. V/c • f 10 -2 Hz pour p. Tµ 2 Ge. V/c 330 Hz 65 Hz b bmax p. Tµ 1 Ge. V/c p. Tµ 2 Ge. V/c
Expérience ALICE au LHC Étude du spectre en masse dimuon dans les collisions Pb-Pb Spectre en masse dimuon attendu après 1 mois (106 s) de collisions Pb-Pb [F. Guérin, Thèse de doctorat de l’UBP, 2006] : Ø soustraction parfaite du bruit de fond non corrélé Ø ajustement global du spectre des dimuons corrélés § Grande statistique pour les hadrons beaux et le J/ § Statistique permettant d’étudier la famille du
Expérience ALICE au LHC Sensibilité des quarkonia au QGP À partir de la statistique attendue des quarkonia après 1 mois de collisions Pb. Pb : étude de la sensibilité à différents scénarii de QGP Ø Suppression-1 : ‘quenched QCD’ = QGP de gluons avec Tc = 270 Me. V Ø Suppression-2 : ‘unquenched QCD’ = QGP de quarks et de gluons avec Tc = 190 Me. V [ALICE Collaboration, J. Phys. G 32 (2006) 1295] Incertitudes statistiques
Les saveurs lourdes dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes Ø Collisions d’ions lourds et saveurs lourdes • Pourquoi des collisions d’ions lourds ? • Production des saveurs lourdes • Les saveurs lourdes dans la matière nucléaire Ø Expérience PHENIX au RHIC • Conditions expérimentales • Principaux résultats obtenus • Étude du continuum physique dimuon Ø Expérience ALICE au LHC • Le détecteurs ALICE et son spectromètre à muons • L’électronique frontale du système de déclenchement des muons • Production des quarkonia dans le canal dimuon Ø Conclusions et perspectives
Conclusions et perspectives Bilan des expériences au RHIC depuis 2000 ü L’état initial semble saturé en gluons : Color Glass Condensate ? ü La densité d’énergie initiale 0 15 Ge. V/fm 3 à 0 0. 35 fm/c extrapolée à l’équilibre thermique th 0. 8 fm/c par les modèles hydrodynamiques donne : ( ) = ( 0/ )4/3 0 th 5 Ge. V/fm 3 >> CNM soit Tth 200 Me. V > Tc ü La suppression des hadrons de haut p. T et le flow elliptique indiquent que le système initial se caractérise par ses degrés de liberté partoniques ü L’analyse des énergies à la température Tth indique le système est fortement couplé : strongly interacting Quark-Gluon Plasma (s. QGP) = fluide parfait (sans viscosité)
Conclusions et perspectives Questions en suspend après RHIC Ø Nécessité de mieux comprendre les processus à petits x : physique du CGC Ø Approfondir la compréhension du phénomène de perte d’énergie partonique dans un milieu déconfiné à l’aide de corrélations -jet Ø Élucider la perte d’énergie des quark lourds : prédiction d. E/dx|q > d. E/dx|Q alors qu’expérimentalement RAAe RAAhadrons Ø Origine de la suppression des J/ dans les collisions Au-Au : shadowing, absorption nucléaire normale, écrantage de couleur, hadronisation statistique ? Ø Existence d’un point critique dans le diagramme de phase de QCD ? Ø … Améliorations de la luminosité du RHIC ainsi que des détecteurs PHENIX et STAR BNL-77334 -2006 -IR, http: //www. bnl. gov/physics/rhic. IIscience/
Conclusions et perspectives Les perspectives au LHC v Conditions thermodynamiques extrêmes : favorables à la production d’un QGP de grand volume et de grande durée de vie v Étude combinée des différentes signatures de formation d’un QGP avec la même instrumentation : ALICE = STAR PHENIX [ALICE Collaboration, J. Phys. G 32 (2004) 1517] v Production abondante de saveurs lourdes : possibilité d’une étude approfondie des états de la famille du avec une bonne séparation des différents états à l’aide du spectromètre à muons de l’expérience ALICE v Accès à de très petits x : étude détaillée de la physique du CGC v … et tous les résultats inattendus 10 -5
« I found my experience in the laboratory so traumatic that I concluded that theory is the easier part of physicists game ! » Pierre-Gilles de Gennes Europhysics. News, July/August 2003, p. 158
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