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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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1 Dynamique et Thermodynamique nucléaire Rémi Bougault LPC ENSICAEN-IN2P3/CNRS Prospective IN2P3/CNRS DAPNIA/CEA (oct. 2004)

2 Dynamique et thermodynamique COLLISIONS DIONS LOURDS -Super-lourds (autour de la barrière) -Spallation (au GeV/A) -Equation détat de la matière nucléaire : E(T, n, p « du qualitatif au quantitatif »

3 Super-lourds Comment les produire ? Noyaux connus Noyaux stables Noyaux inconnus Super-lourds Où est lîle de stabilité ?

4 Quasi-fission (τ ~ s) Noyau composé excité Désexcitation par émission de neutrons Fission (τ s) Fusion Elément Super-lourd ! (τ s) Décroissance Décroissance par fission Processus de synthèse des super-lourds

5 Super-lourds Stuttgé (2004) DYNAMIQUE DE CAPTURE DES NOYAUX LOURDS & SUPER-LOURDS Détection des neutrons : séparation fission et quasi-fission Programme Demon – Château de crystal – Corset Comment les produire

6 Super-lourds Calcul 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 t lim s Mesure du temps de fission : hauteur barrière de fission Expérience Z A Programme de mesure par « crystal blocking » Ilot de stabilité

7 Processus de spallation Armbruster et al. PRL(2004) ETUDE DE LA SPALLATION au FRS-GSI Mesures inclusives liées à « Accelerator Driven System »

8 Processus de spallation ETUDE DE LA SPALLATION au FRS-GSI 1 A.GeV Pb+p Données/Modèle 1 A.GeV U+p Données/Modèle Masse Atomique Modèle=voie dentrée+voie de sortie (cascade intra-nucléaire+désexcitation) Fission Programme de mesure SPALLADIN au GSI (voir S. Leray)

9 Spallation : au-delà de la fission Identification en A et Z mais mesure inclusive abrasion break-upevaporation Température>0 Programme SPALLADIN & R 3 B

10 Equation détat à T>0

11 Thermodynamique nucléaire Transition du type Van der Waals (liquide-gaz) attendue isothermes

12 Phénomène critique : loi déchelle Multifragmentation multi fragmentation Densité Température n(A)=q 0.A -.exp(-c 0 (T-T c )A /T) Modèle de Fisher (liquide-gaz) n(A)=q 0.A - J. Finn et al. PRL(1982) A - =2.64 Numéro atomique Coups Distance au point critique Point Critique liquide gaz coexistence liquide-gaz.

13 Lois déchelle EOS PRC(2003) n(A)=q 0.A -.exp(-c 0 (T-T c )A /T) Situation en 1982 : J. Finn et al. PRL(1982) A - =2.64 Multifragmentation n(A)/q 0.A - (T-T c )A /T Mesures inclusives vs mesures exclusives Système fini : ligne de Kertész

14 Lois déchelle EOS PRC(2003) n(A)=q 0.A -.exp(-c 0 (T-T c )A /T) Multifragmentation n(A)/q 0.A - (T-T c )A /T Système fini : ligne de Kertész n(A)=q 0.A - oo C F. Gulminelli et al. PRC(2003) Calculs Lattice

15 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 dUniversalité Collaboration INDRA (collisions centrales Xe+Sn)

16 Loi déchelle & Universalité Noyau dAuLiquide-gaz 2.2±0.1*2.196± ±0.02*0.647± ±0.05*1.24± ±0.1*0.305±0.005 (*=erreur statistique uniquement) Loi déchelle existe : transition de phase Quantifier : extraire les paramètres critiques avec précision mes théo Ordonnée0.481/2 Désordonnée0.891

17 Courbe calorique ALADIN PRL(1995) Natowitz PRC(2002)

18 A=30-60 A= A= A= A= Taille du système = limite coulombienne Tlimite = « quenching » de la densité de niveaux = multifragmentation Besoin de précision sur - Thermomètres - Energie dexcitation Courbe caloriques

19 Paysage thermodynamique T σ 2 /T 2 p = cte V = cte La courbe calorique dépend de la transformation Toujours grandes fluctuations Ph.Chomaz, F.Gulminelli PRL(2000) energie pression Courbe calorique Types de courbes caloriques Particularité des systèmes finis

20 Fluctuations et capacité calorifique INDRA NPA(2002) Multics NPA(2002),NPA(2003) Obtenu par des mesures de corrélations Fluctuations dénergie partielle (E k =E*-E int ) Besoin de quantifier & comprendre linfluence de la dynamique

21 Transition de phase et spinodale (Xe+Sn central collisions) INDRA (doit être confirmé par des mesures à haute statistique) Signal fossile de décomposition spinodale multi fragmentation Spinodale : zone de Compressibilité négative Obtenu par des mesures de corrélations en Z

22 Spinodale versus N/Z Prévision théorique : Baran et al.PRL(2001) Réduction de la spinodale spinodale Multifragmentation : formation des fragments Matière symétriqueMatière asymétrique

23 Spinodale versus N/Z INDRA Xe+Sn 32 A.MeV equivalence INDRA Xe+Sn 32 A.MeV lien Matière symétriqueMatière asymétrique INDRA

24 Equation détat nucléaire à T=0 H. Lenske (Giessen) DENSITY DEPENDENT HADRON FIELD THEORY

25 Equation détat : E(,(N-Z)/A ) Piekarewicz, Horowitz ACS2004 B.P. Brown PRL(2000) Matière neutronique pure Densité neutron (neutron/fm3) 18 Skyrme Mauvaise connaissance de Esym même à la densité de saturation

26 Système symétrique Pas de diffusion Système asymétrique Avec faible diffusion Système asymétrique Avec forte diffusion Système neutron riche Système proton riche cible projectile 124,112 Sn+ 124,112 Sn à 50 A.MeV collisions périphériques fragments du projectile Esym( ) : observable Esym( ) régule léquilibration en isospin b/b max >0.8 MSU : Tsang PRL(2004) Très exotique = grand bras de levier

27 BUTS - Super-lourds : dynamique de la réaction - Equation détat 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 lénergie 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 disospin entre le projectile et la cible.

28 OUVERTURE Astrophysique : -EOS-nucléaire utilisée dans les modèles (Ex. Refroidissement des étoiles à neutrons contrôlé par lénergie 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

29 Esym( ) : « Isoscaling » Y 2 / Y 1 Isoscaling : Y( 124 Sn+ 124 Sn)/Y( 112 Sn+ 112 Sn) b/b max >0.8 Y(C+ 124 Sn)/Y(C+ 112 Sn) e 0.31N e 0.36N e 0.62N e 0.25N e 0.32N e 0.52N Isoscaling : Y( 12 C+ 124 Sn)/Y( 12 C+ 112 Sn) INDRA : Lefèvre soumis(2004) MSU : Tsang PRL(2004)

30 Esym( ) : « Isoscaling » Y 2 / Y 1 Isoscaling (50 A.MeV Sn+Sn) MSU : Tsang PRL(2004) Y( 124 Sn+ 124 Sn)/Y( 112 Sn+ 112 Sn) R( Y( 124 Sn+ 112 Sn)/Y( 112 Sn+ 112 Sn) R( ) Y( 112 Sn+ 124 Sn)/Y( 112 Sn+ 112 Sn) R( ) Y( 112 Sn+ 112 Sn)/Y( 112 Sn+ 112 Sn) R( ) Projectile= 124 Sn Projectile= 112 Sn Même système de référence Pas déquilibration en N/Z entre le projectile et la cible

31 Esym( ) : modèle asy- stiff asy- soft MSU : Tsang PRL(2004) Isoscaling (50 A.MeV Sn+Sn) Modèle de transport: variable 1-corps asy- stiff asy- soft BUU Données Dépendance en densité de Esym

32 BUTS - Super-lourds : dynamique de la réaction - Equation détat 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 lénergie 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 disospin entre le projectile et la cible.

33 OUVERTURE Astrophysique : -EOS-nucléaire utilisée dans les modèles (Ex. Refroidissement des étoiles à neutrons contrôlé par lénergie 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

34 FIN

35 Ligne de Kertesz (systèmes finis)

36 Ouverture : Astrophysique (EOS utilisée dans les modèles) Ex. Refroidissement des étoiles à neutrons : Ex. Refroidissement des étoiles à neutrons : suivant lEOS, le processus URCA-direct suivant lEOS, le processus URCA-direct peut être stoppé (fraction en électrons peut être stoppé (fraction en électrons contrôlée par lénergie de symétrie). contrôlée par lénergie de symétrie).

37 Situation actuelle INDRA

38 Investissement Beam R3BR3B

39 A and Z identification for quantitative measurements Collective energy (not deduced from models) Improve excitation energy measurements

40 Collision induced correlations Isospin will help dynamics fragment evidence INDRA IWM(2003)

41 Muller, Serot PRC(1995) Equation détat et N/Z MESURER léquation détat : besoin de faisceaux exotiques & de détection adaptée (Z, A) – Rôle de la compression Mulifragmentation à basse T pour matière exotique

42 Phénomènes critiques Lois déchelle Universalité Renormali- sation

43 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)

44 Température isospin Besoin de mesures exclusives La distribution isotopique mesure la température des fragments au break-up abrasionbreak-up evaporation three stage model 238 U + Ti (1GeV/A) 238 U + Pb (1GeV/A) 238UModèle et données Identification en A et Z mais mesure inclusive abrasion break-upevaporation

45 Justification (fission – spallation) Accelerator Driven System (voir S. Leray) OUVERTURE Astrophysique : Production stellaire des Actinides (fission) Production stellaire des Actinides (fission) versus nucléo-cosmochronologie versus nucléo-cosmochronologie

46 NEUTRON STAR STRUCTURE

47 Lois déchelle EOS PRC(2003) n(A)=q 0.A -.exp(-c 0 (T-T c )A /T) Multifragmentation n(A)/q 0.A - (T-T c )A /T Système fini : ligne de Kertész n(A)=q 0.A - F. Gulminelli et al. PRC(2003) Calculs Lattice

48 Loi déchelle : le + gros frgt. Situation en 1982 : J. Finn et al. PRL(1982) INDRA : R. Botet et al. PRL(2001), PRC(2004) - scaling

49 Transition de phase Collaboration INDRA Vaporisation Multifragmentation Liquide BOILING NUCLEI 25 A.MeV 50 A.MeV39 A.MeV Distribution du plus gros fragment – collisions centrales Xe+Sn Augmentation de E*

50 Spinodale versus N/Z EQUIVALENCE Matière symétriqueMatière asymétrique INDRA Xe+Sn 32 A.MeV


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