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Dynamique et Thermodynamique nucléaire Rémi Bougault LPC ENSICAEN-IN2P3/CNRS

Dynamique et Thermodynamique nucléaire Rémi Bougault LPC ENSICAEN-IN2P3/CNRS. Prospective IN2P3/CNRS DAPNIA/CEA (oct. 2004). Dynamique et thermodynamique. COLLISIONS D’IONS LOURDS Super-lourds (autour de la barrière) Spallation (au GeV/A)

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Dynamique et Thermodynamique nucléaire Rémi Bougault LPC ENSICAEN-IN2P3/CNRS

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  1. Dynamique et Thermodynamique nucléaireRémi 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 Quasi-fission (τ ~10-20s) Fusion Noyau composé excité Fission(τ≥10-18s) Désexcitation par émission de neutrons Elément Super-lourd ! (τ≥ 10-14s) Décroissance b Décroissance a Décroissance par fission

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

  6. Super-lourds Ilot de stabilité 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 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 U+p Données/Modèle 1 A.GeV Pb+p Données/Modèle Fission Fission 60 240 0 200 Masse Atomique Masse Atomique Programme de mesure SPALLADIN au GSI (voir S. Leray)

  9. break-up evaporation abrasion Spallation : “au-delà de la fission” Température>0 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. A-t multi fragmentation Coups t=2.64 Numéro atomique J. Finn et al. PRL(1982) Phénomène critique :loi d’échelle . Multifragmentation Point Critique n(A)=q0.A-t gaz liquide coexistence liquide-gaz Température Densité Distance au point critique n(A)=q0.A-t.exp(-c0(T-Tc)As/T) Modèle de Fisher (liquide-gaz)

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

  14. n(A)=q0.A-t.exp(-c0(T-Tc)As/T) Lois d’échelle Multifragmentation n(A)/q0.A-t Calculs Lattice F. Gulminelli et al. PRC(2003) 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) Collaboration INDRA

  16. Loi d’échelle & Universalité (*=erreur statistique uniquement) Loi d’échelle existe : transition de phase Quantifier : extraire les paramètres critiques avec précision

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

  18. Courbe caloriques Natowitz PRC(2002) Taille du système = limite coulombienne A=30-60 A=60-100 A=100-140 Tlimite = « quenching » de la densité de niveaux = multifragmentation A=140-180 • Besoin de précision sur • - Thermomètres • Energie d’excitation A=180-240

  19. σ2/T2 Paysage thermodynamique Particularité des systèmes finis Ph.Chomaz, F.Gulminelli PRL(2000) p = cte T 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. multi fragmentation Transition de phase et spinodale Signal fossile de décomposition spinodale (Xe+Sn central collisions) INDRA Spinodale : zone de Compressibilité négative Obtenu par des mesures de corrélations en Z (doit être confirmé par des mesures à haute statistique)

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

  23. Spinodale versus N/Z a=0 a=0.5 a=0.8 Matière symétrique Matière asymétrique INDRA INDRA Xe+Sn 32 A.MeV INDRA Xe+Sn 32 A.MeV equivalence lien

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

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

  26. projectile cible Esym(r) : observable 124,112Sn+124,112Sn à 50 A.MeV collisions périphériques fragments du projectile Système symétrique Pas de diffusion 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 » etqui 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. b/bmax>0.8 Esym(r) : « Isoscaling » Y2/ Y1 Isoscaling : Y(12C+124Sn)/Y(12C+112Sn) Isoscaling : Y(124Sn+124Sn)/Y(112Sn+112Sn) 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 R(a124+124) Y(124Sn+124Sn)/Y(112Sn+112Sn) R(a124+112) Y(124Sn+112Sn)/Y(112Sn+112Sn) Projectile=112Sn R(a112+124) Y(112Sn+124Sn)/Y(112Sn+112Sn) R(a112+112) Y(112Sn+112Sn)/Y(112Sn+112Sn) MSU : Tsang PRL(2004) Pas d’équilibration en N/Z entre le projectile et la cible

  31. asy- stiff asy- soft BUU asy- soft asy- stiff Esym(r) : modèle Isoscaling (50 A.MeV Sn+Sn) Données Modèle de transport: variable 1-corps 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 » etqui 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. INDRA Situation actuelle

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

  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 Second order moment of current pulses a isotopic discrimination No isotopic discrimination for 600 and 1700 mm2 with M2 (H. Hamrita et al. NIM)

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

  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. n(A)=q0.A-t.exp(-c0(T-Tc)As/T) Lois d’échelle Multifragmentation F. Gulminelli et al. PRC(2003) n(A)/q0.A-t Calculs Lattice 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. 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. a=0 a=0.5 a=0.8 Matière symétrique Matière asymétrique Spinodale versus N/Z INDRA Xe+Sn 32 A.MeV INDRA Xe+Sn 32 A.MeV EQUIVALENCE

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