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Prospective IN2P3/CNRS DAPNIA/CEA (oct. 2004)

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

2 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, rn, rp) « du qualitatif au quantitatif »

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

4 Processus de synthèse des super-lourds
Fusion Quasi-fission (τ ~10-20s) Noyau composé excité Fission (τ ≥10-18s) Désexcitation par émission de neutrons La dynamique de la réaction, c’est tout cela Elément Super-lourd ! (τ ≥ 10-14s) Décroissance b Décroissance a Décroissance par fission

5 Programme Demon – Château de crystal – Corset
Super-lourds Comment les produire DYNAMIQUE DE CAPTURE DES NOYAUX LOURDS & SUPER-LOURDS Processus de capture, i.e. passer le « cap » de la quasi-fission Détection des neutrons : séparation fission et quasi-fission Stuttgé (2004) Programme Demon – Château de crystal – Corset

6 Super-lourds Ilot de stabilité Z A
Mesure du temps de fission : hauteur barrière de fission Calcul Expérience 238U+Ni 6.62 MeV/nucléon tlim 10-18 s Z Ni élastique Ni inélastique Mesure de temps longs (10-17sec.) donc on mesure une augmentation des barrières donc on scanne la figure a la recherche de la zone Quasi-fission (Ni) Quasi-fission (U) & Fusion fission U Fission séquentielle A Morjean et al.(2004) Programme de mesure par « crystal blocking »

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

8 Processus de spallation
ETUDE DE LA SPALLATION au FRS-GSI Modèle=voie d’entrée+voie de sortie (cascade intra-nucléaire+désexcitation) 1 A.GeV Pb+p Données/Modèle 1 A.GeV U+p Données/Modèle Il a été nécessaire de modifier les barrières de fission et le coefficient de friction pour pouvoir reproduire convenablement les données Uranium (cascade intra-nucléaire+ désexcitation) Modèle de Kramers, énergie point selle et point de scission (i.e. friction, viscosité) Demander pourquoi il y a deux calculs Fission Fission 60 240 200 Masse Atomique Masse Atomique Programme de mesure SPALLADIN au GSI (voir S. Leray)

9 Spallation : “au-delà de la fission”
Température>0 abrasion break-up evaporation Identification en A et Z mais mesure inclusive Programme SPALLADIN & R3B

10 Equation d’état à T>0

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

12 Phénomène critique : loi d’échelle
. multi fragmentation Multifragmentation Point Critique J. Finn et al. PRL(1982) A-t t=2.64 Numéro atomique Coups n(A)=q0.A-t gaz liquide coexistence liquide-gaz Température Fisher : vapeur coexiste avec liquide dans une phase mixte d’une transition liquide gaz Tau et sigma paramètres critiques Densité Distance au point critique n(A)=q0.A-t.exp(-c0(T-Tc)As/T) Modèle de Fisher (liquide-gaz)

13 Lois d’échelle t=2.64 Multifragmentation
n(A)=q0.A-t.exp(-c0(T-Tc)As/T) Multifragmentation Situation en 1982 : J. Finn et al. PRL(1982) A-t t=2.64 n(A)/q0.A-t Scaling=scaling law+data collapse(scale invariance) Mesures inclusives vs mesures exclusives (T-Tc)As/T Système fini : ligne de Kertész EOS PRC(2003)

14 Lois d’échelle Multifragmentation n(A)=q0.A-t.exp(-c0(T-Tc)As/T)
Calculs Lattice F. Gulminelli et al. PRC(2003) Scaling=scaling law+data collapse(scale invariance) C o o n(A)=q0.A-t (T-Tc)As/T Système fini : ligne de Kertész EOS PRC(2003)

15 Classes d’Universalité
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. (collisions centrales Xe+Sn) c rtygfdees Collaboration INDRA

16 Loi d’échelle & Universalité
Noyau d’Au Liquide-gaz t 2.2±0.1* 2.196±0.024 s 0.71±0.02* 0.647±0.006 g 1.12±0.05* 1.24±0.01 b 0.3±0.1* 0.305±0.005 Dmes Dthéo Ordonnée 0.48 1/2 Désordonnée 0.89 1 (*=erreur statistique uniquement) Gamma et beta a partir du gros (ex. Campi plot) . Tau et sigma par Fisher. Il n’y en a que 2 d’indépendants ils suivent la loi de l’hyper-scaling Loi d’échelle existe : transition de phase Quantifier : extraire les paramètres critiques avec précision

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

18 Courbe caloriques Taille du système = limite coulombienne A=30-60
Natowitz PRC(2002) Taille du système = limite coulombienne A=30-60 A=60-100 A= Tlimite = « quenching » de la densité de niveaux = multifragmentation A= Besoin de précision sur - Thermomètres Energie d’excitation A=

19 Paysage thermodynamique
Particularité des systèmes finis Ph.Chomaz, F.Gulminelli PRL(2000) p = cte T σ2/T2 V = cte pression energie La courbe calorique dépend de la transformation Toujours grandes fluctuations Courbe calorique a Types de courbes caloriques

20 Fluctuations et capacité calorifique
Fluctuations d’énergie partielle (Ek =E*-Eint) Multics NPA(2002),NPA(2003) INDRA NPA(2002) Obtenu par des mesures de corrélations Besoin de quantifier & comprendre l’influence de la dynamique

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

22 Spinodale versus N/Z Multifragmentation : formation des fragments N/Z
Prévision théorique : Baran et al.PRL(2001) a=0 a=0.5 a=0.8 Matière symétrique Matière asymétrique Réduction de la spinodale

23 Spinodale versus N/Z a=0 a=0.5 a=0.8 equivalence lien
INDRA INDRA Xe+Sn 32 A.MeV INDRA Xe+Sn 32 A.MeV equivalence lien a=0 a=0.5 a=0.8 Matière symétrique Matière asymétrique Complétement d’accord avec ALICE pour insister sur le croissement des signaux sur les mêmes données

24 Equation d’état nucléaire à T=0
DENSITY DEPENDENT HADRON FIELD THEORY H. Lenske (Giessen)

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

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

27 BUTS - Super-lourds : dynamique de la réaction
- Equation d’état E(T, rn, rp) : 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 4p), neutrons. Faisceaux exotiques à des « énergies de multifragmentation » et qui permettent un échange d’isospin entre le projectile et la cible.

28 OUVERTURE Astrophysique :
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

29 Esym(r) : « Isoscaling »
Y2/ Y1 Isoscaling : Y(12C+124Sn)/Y(12C+112Sn) Isoscaling : Y(124Sn+124Sn)/Y(112Sn+112Sn) b/bmax>0.8 e0.31N e0.25N Y(C+124Sn)/Y(C+112Sn) e0.36N e0.32N e0.62N e0.52N INDRA : Lefèvre soumis(2004) MSU : Tsang PRL(2004)

30 Esym(r) : « Isoscaling »
Y2/ Y1 Isoscaling (50 A.MeV Sn+Sn) Même système de référence Projectile=124Sn Y(124Sn+124Sn)/Y(112Sn+112Sn) R(a ) Y(124Sn+112Sn)/Y(112Sn+112Sn) R(a ) Projectile=112Sn Y(112Sn+124Sn)/Y(112Sn+112Sn) R(a ) Y(112Sn+112Sn)/Y(112Sn+112Sn) R(a ) Pas d’équilibration en N/Z entre le projectile et la cible MSU : Tsang PRL(2004)

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

32 BUTS - Super-lourds : dynamique de la réaction
- Equation d’état E(T, rn, rp) : 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 4p), neutrons. Faisceaux exotiques à des « énergies de multifragmentation » et qui permettent un échange d’isospin entre le projectile et la cible.

33 OUVERTURE Astrophysique :
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

34 FIN

35 Ligne de Kertesz (systèmes finis)

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

37 Situation actuelle INDRA

38 Investissement Beam R3B

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

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

41 Equation d’état et N/Z Muller, Serot PRC(1995) Mulifragmentation à basse T pour matière exotique MESURER l’équation d’état : besoin de faisceaux exotiques & de détection adaptée (Z, A) – Rôle de la compression

42 Phénomènes critiques Lois d’échelle Universalité Renormali- sation

43 Experimental results at Orsay Tandem (raw signal)
Average signal on ≈1000 pulses (NTD 200 mm2) E = 80 MeV For heavier ions, discrimination is more delicate. For the same energy 80 MeV, two carbon isotopes, 12 and 13, produce similar current pulses. But still, with in this case the second order moment, discrimination is feasible. Second order moment of current pulses a isotopic discrimination No isotopic discrimination for 600 and mm2 with M2 (H. Hamrita et al. NIM)

44 Température isospin 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) 238U Modèle et données Identification en A et Z mais mesure inclusive abrasion break-up evaporation Besoin de mesures exclusives

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

46 NEUTRON STAR STRUCTURE

47 Lois d’échelle Multifragmentation n(A)=q0.A-t.exp(-c0(T-Tc)As/T)
F. Gulminelli et al. PRC(2003) n(A)/q0.A-t Calculs Lattice Scaling=scaling law+data collapse(scale invariance) n(A)=q0.A-t (T-Tc)As/T Système fini : ligne de Kertész EOS PRC(2003)

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

49 Distribution du plus gros fragment – collisions centrales Xe+Sn
Transition de phase Liquide Multifragmentation Vaporisation Augmentation de E* Distribution du plus gros fragment – collisions centrales Xe+Sn BOILING NUCLEI 25 A.MeV 39 A.MeV 50 A.MeV Collaboration INDRA

50 Spinodale versus N/Z a=0 a=0.5 a=0.8 EQUIVALENCE Matière symétrique
INDRA Xe+Sn 32 A.MeV INDRA Xe+Sn 32 A.MeV EQUIVALENCE a=0 a=0.5 a=0.8 Matière symétrique Matière asymétrique Complétement d’accord avec ALICE pour insister sur le croissement des signaux sur les mêmes données


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