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Dynamique et Thermodynamique
nucléaire
Rémi Bougault LPC ENSICAEN-IN2P3/CNRS
Prospective IN2P3/CNRS DAPNIA/CEA (oct. 2004)
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Dynamique et thermodynamique
COLLISIONS D’IONS LOURDS
- Super-lourds (autour de la barrière)
- Spallation (au GeV/A)
- Equation d’état de la matière nucléaire : E(T, n,p
« du qualitatif au quantitatif »
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Super-lourds
Comment les produire ?
Noyaux connus
Noyaux stables
Noyaux inconnus
Super-lourdsSuper-lourds
Où est l’île de stabilité ?
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Quasi-fission (τ ~10-20s)
Noyaucomposéexcité
Désexcitationpar émissionde neutrons
Fission (τ ≥10-18s)
Fusion
Elément Super-lourd !(τ ≥ 10-14s)
Décroissance
Décroissance
Décroissance par fission
Processus de synthèse des super-lourds
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Super-lourds
Stuttgé (2004)
DYNAMIQUE DE CAPTURE DES NOYAUX LOURDS & SUPER-LOURDS
Détection des neutrons :séparationfission et quasi-fission
Programme Demon – Château de crystal – Corset
Comment les produire
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Super-lourdsCalcul
Morjean et al.(2004)
238U+Ni 6.62 MeV/nucléon
Ni élastique
Ni inélastique
Quasi-fission (Ni)
Quasi-fission (U)& Fusion fission
U Fission séquentielle
tlim
10-18 s
Mesure du temps de fission : hauteur barrière de fission
Expérience
Z
A
Programme de mesure par « crystal blocking »
Ilot de stabilité
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Processus de spallation
Armbruster et al. PRL(2004)
ETUDE DE LA SPALLATION au FRS-GSI
Mesures inclusives liées à « Accelerator Driven System »
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Processus de spallationETUDE DE LA SPALLATION au FRS-GSI
1 A.GeV Pb+p Données/Modèle 1 A.GeV U+p Données/Modèle
2000 60 240Masse AtomiqueMasse Atomique
Modèle=voie d’entrée+voie de sortie(cascade intra-nucléaire+désexcitation)
FissionFission
Programme de mesure SPALLADIN au GSI (voir S. Leray)
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Spallation : “au-delà de la fission”
Identification en A et Zmais mesure inclusive
abrasion
break-up evaporation
Température>0
Programme SPALLADIN & R3B
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Equation d’état à T>0
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Thermodynamique nucléaire
Transition du type Van der Waals (liquide-gaz) attendue
isothermes
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Phénomène critique :loi d’échelle
Multifragmentation
Nucleus
Density
Tem
per
atu
re70
00
0 0
00
00
0°
0
T critical
SPINODAL multifragmentatio
n
Densité
Tem
pér
atu
re
n(A)=q0.A-.exp(-c0(T-Tc)A
/T)Modèle de Fisher (liquide-gaz)
n(A)=q0.A-
J. Finn et al. PRL(1982)
A-
=2.64
Numéro atomique
Co
up
s
Distance au pointcritique
Point Critiqueliquide
gaz
coexistenceliquide-gaz
.
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Lois d’échelle
EOS PRC(2003)
n(A)=q0.A-.exp(-c0(T-Tc)A
/T)
Situation en 1982 :
J. Finn et al. PRL(1982)
A-
=2.64
Multifragmentation
n(A
)/q 0
.A-
(T-Tc)A/T
Mesures inclusives vs mesures exclusives
Système fini : ligne de Kertész
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Lois d’échelle
EOS PRC(2003)
n(A)=q0.A-.exp(-c0(T-Tc)A
/T)
Multifragmentation
n(A
)/q 0
.A-
(T-Tc)A/T
Système fini : ligne de Kertész
n(A)=q0.A-
ooC
F. Gulminelli et al. PRC(2003)
Calculs Lattice
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• Modification de la forme de la distribution de la taille du plus gros fragment avec l'énergie
• Deux distributions universelles décrivent les données “renormalisées”. Il existe une énergie de transition qui dépend de la masse du système
• Nécessite la mesure exclusive de tous les produits de réaction (bonne sélection) y compris le plus gros fragment.
Classes d’Universalité
Collaboration INDRA
(collisions centrales Xe+Sn)
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Loi d’échelle & UniversalitéNoyau d’Au Liquide-gaz
2.2±0.1* 2.196±0.024
0.71±0.02* 0.647±0.006
1.12±0.05* 1.24±0.01
0.3±0.1* 0.305±0.005
(*=erreur statistique uniquement)
Loi d’échelle existe : transition de phase
Quantifier : extraire les paramètres critiques avec précision
mes théo
Ordonnée 0.48 1/2
Désordonnée 0.89 1
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Courbe caloriqueALADIN PRL(1995) Natowitz PRC(2002)
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Natowitz PRC(2002)
A=30-60
A=60-100
A=100-140
A=140-180
A=180-240
Taille du système = limite coulombienne
Tlimite = « quenching » de la densitéde niveaux = multifragmentation
Besoin de précision sur- Thermomètres- Energie d’excitation
Courbe caloriques
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Paysage thermodynamique
T
σ2/T2
p = cte
V = cte
La courbe calorique dépend de la transformation Toujours
grandes fluctuations
Ph.Chomaz, F.Gulminelli PRL(2000)
energie pressi
on
Courbe calorique Types de courbes caloriques
Particularité des systèmes finis
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Fluctuations et capacité calorifique
INDRA NPA(2002)
Multics NPA(2002),NPA(2003)
Obtenu par des mesuresde corrélations
2
2
1can
kk
C
C
T
EC kk
22 TCkcan
Fluctuations d’énergie partielle (Ek =E*-Eint)
Besoin de quantifier & comprendre l’influence de la dynamique
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Transition de phase et spinodale
(Xe+Sn central collisions)
INDRA
(doit être confirmé par des mesures à haute statistique)
Signal fossile de décomposition spinodale
Nucleus
Density
Tem
per
atu
re70
00
0 0
00
00
0°
0
T critical
SPINODAL multifragmentatio
n
Spinodale : zone deCompressibilité négative
Obtenu par des mesuresde corrélations en Z
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Spinodale versus N/Z
Prévision théorique :Baran et al.PRL(2001)
Réduction de la spinodale
Nucleus
Density
Tem
per
atu
re70
00
0 0
00
00
0°
0
T critical
SPINODAL spinodale
Multifragmentation : formation des fragments
0P
Matière symétrique Matière asymétrique
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Spinodale versus N/Z
INDRA Xe+Sn 32 A.MeV
equivalence
INDRA Xe+Sn 32 A.MeV
lien
0P
Matière symétrique Matière asymétrique
INDRA
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Equation d’état nucléaire à T=0
H. Lenske (Giessen)
DENSITY DEPENDENTHADRON FIELDTHEORY
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Equation d’état : E(,(N-Z)/A)
Piekarewicz, Horowitz ACS2004B.P. Brown PRL(2000)
Matière neutronique pure
Densité neutron (neutron/fm3)
18 Skyrme
Mauvaise connaissance de Esymmême à la densité de saturation
A
ZNavec
EEE
SymétriedeEnergie
)()0,(),( 4
0
2
22
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Système symétriquePas de diffusion
Système asymétriqueAvec faible diffusion
Système asymétriqueAvec forte diffusion
Systèmeneutron riche
Systèmeproton riche
cible
projectile
124,112Sn+124,112Sn à 50 A.MeVcollisions périphériques
fragments du projectile
Esym() : observable
Esym()régulel’équilibrationen isospin
b/bmax>0.8
MSU : Tsang PRL(2004)Très exotique = grand bras de levier
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BUTS
- Super-lourds : dynamique de la réaction
- Equation d’état E(T, n,p: croiser les signaux de transition de phase,passer du qualitatif au quantitatif, rôle de la dynamique sur la transition de phase, dépendance en densité de l’énergie de symétrie
- Spallation : production de faisceaux exotiques, ADS, mesures complémentaires Noyau+p vs Noyau+Noyau
Mesures exclusives et corrélations, identification en Z et A (non à ce jour au-delà de Z=5 sur 4), neutrons.
Faisceaux exotiques à des « énergies de multifragmentation » et qui permettent un échange d’isospin entre le projectile et la cible.
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OUVERTUREAstrophysique : - EOS-nucléaire utilisée dans les modèles (Ex. Refroidissement des
étoiles à neutrons contrôlé par l’énergie de symétrie)- Multifragmentation (c.f. J. Margueron)
Physique statistique :- Transition de phase, systèmes finis, systèmes fermioniques,
phénomènes critiques, coexistence de phases dans les systèmes à deux composants, …
Lien avec structure nucléaire
Lien avec QGP
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Esym() : « Isoscaling » Y2/ Y1
)( ZNe βα ZpN
n
Isoscaling : Y(124Sn+124Sn)/Y(112Sn+112Sn)
b/bmax>0.8
Y(C
+12
4 Sn
)/Y
(C+
112 S
n)
e0.31N
e0.36N
e0.62N
e0.25N
e0.32N
e0.52N
Isoscaling : Y(12C+124Sn)/Y(12C+112Sn)
INDRA : Lefèvre soumis(2004) MSU : Tsang PRL(2004)
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Esym() : « Isoscaling » Y2/ Y1
)( ZNe βα ZpN
n
Isoscaling (50 A.MeV Sn+Sn)
MSU : Tsang PRL(2004)
Y(124Sn+124Sn)/Y(112Sn+112Sn) R(
Y(124Sn+112Sn)/Y(112Sn+112Sn) R()
Y(112Sn+124Sn)/Y(112Sn+112Sn) R()
Y(112Sn+112Sn)/Y(112Sn+112Sn) R()
Projectile=124Sn
Projectile=112Sn
Même système de référence
Pas d’équilibration en N/Z entre le projectile et la cible
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Esym() : modèle
asy-stiff
asy-soft
MSU : Tsang PRL(2004)
Isoscaling (50 A.MeV Sn+Sn)
projectileprojectilepn
pn RR )()(
Modèle de transport: variable 1-corps
asy-stiff
asy-soft
BUU
Données
Dépendance en densité de Esym
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BUTS
- Super-lourds : dynamique de la réaction
- Equation d’état E(T, n,p: croiser les signaux de transition de phase,passer du qualitatif au quantitatif, rôle de la dynamique sur la transition de phase, dépendance en densité de l’énergie de symétrie
- Spallation : production de faisceaux exotiques, ADS, mesures complémentaires Noyau+p vs Noyau+Noyau
Mesures exclusives et corrélations, identification en Z et A (non à ce jour au-delà de Z=5 sur 4), neutrons.
Faisceaux exotiques à des « énergies de multifragmentation » et qui permettent un échange d’isospin entre le projectile et la cible.
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OUVERTUREAstrophysique : - EOS-nucléaire utilisée dans les modèles (Ex. Refroidissement des
étoiles à neutrons contrôlé par l’énergie de symétrie)- Multifragmentation (c.f. J. Margueron)
Physique statistique :- Transition de phase, systèmes finis, systèmes fermioniques,
phénomènes critiques, coexistence de phases dans les systèmes à deux composants, …
Lien avec structure nucléaire
Lien avec QGP
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FIN
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Ligne de Kertesz (systèmes finis)
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Ouverture :Ouverture :
AstrophysiqueAstrophysique (EOS utilisée dans les (EOS utilisée dans les modèles)modèles)
Ex. Refroidissement des étoiles à Ex. Refroidissement des étoiles à neutrons :neutrons :
suivant l’EOS, le processus URCA-directsuivant l’EOS, le processus URCA-direct peut être stoppé (fraction en électronspeut être stoppé (fraction en électrons contrôlée par l’énergie de symétrie).contrôlée par l’énergie de symétrie).
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Situation actuelle
INDRA
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Investissement
Beam
R3B
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A and Z identification for quantitative measurements
Collective energy(not deduced from models)
Improve excitation energy measurements
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Collision induced correlations
Isospin will help dynamics fragment evidence
INDRA IWM(2003)
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Muller, Serot PRC(1995)
Equation d’état et N/Z
MESURER l’équation d’état : besoin de faisceaux exotiques& de détection adaptée (Z, A) – Rôle de la compression
Mulifragmentation à basse T pour matière exotique
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Phénomènes critiques
Loisd’échelle
Universalité
Renormali-sation
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E = 80 MeV
Average signal on ≈1000 pulses (NTD 200 mm2)
Second order moment of current pulses isotopic discrimination
Experimental results at Orsay Tandem (raw signal)
No isotopic discrimination for 600 and 1700 mm2 with M2
(H. Hamrita et al. NIM)
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Température isospin
Besoin de mesures exclusives
La distribution isotopique mesure la température des fragments au break-up
abrasion
break-up
evaporation
three stage model● 238U + Ti (1GeV/A)● 238U + Pb (1GeV/A)
238UModèle et données
Identification en A et Zmais mesure inclusive
abrasion
break-up evaporation
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Justification (fission – Justification (fission – spallation)spallation)
Accelerator Driven SystemAccelerator Driven System
(voir S. Leray)
OUVERTUREOUVERTUREAstrophysique :Astrophysique : Production stellaire des Actinides Production stellaire des Actinides (fission)(fission) versus nucléo-cosmochronologieversus nucléo-cosmochronologie
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NEUTRON STAR STRUCTURENEUTRON STAR STRUCTURE
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Lois d’échelle
EOS PRC(2003)
n(A)=q0.A-.exp(-c0(T-Tc)A
/T)
Multifragmentation
n(A
)/q 0
.A-
(T-Tc)A/T
Système fini : ligne de Kertész
n(A)=q0.A-
F. Gulminelli et al. PRC(2003)
Calculs Lattice
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Loi d’échelle : le + gros frgt.Situation en 1982 :
J. Finn et al. PRL(1982)
INDRA : R. Botet et al. PRL(2001), PRC(2004)
- scaling
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Transition de phase
Collaboration INDRA
VaporisationMultifragmentationLiquide
BOILINGNUCLEI25 A.MeV 50 A.MeV39 A.MeV
Distribution du plus gros fragment – collisions centrales Xe+Sn
Augmentation de E*
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Spinodale versus N/Z
EQUIVALENCE
0P
Matière symétrique Matière asymétrique
INDRA Xe+Sn 32 A.MeV
INDRA Xe+Sn 32 A.MeV