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Dynamique et Thermodynamique Nucléaire

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L’équation d’état de la matière nucléaire


L’équation d’état de la matière nucléaire caractérise les propriétés de la matière nucléaire soumise à des conditions extrêmes de température T, de compression ρ, et d’isospin I=(N-Z)/A. L’équation d’état conditionne la réponse collective des noyaux telle que la compressibilité des noyaux (via le module d’incompressibilité K) et les modes collectifs d’oscillations monopolaires (GMR) ou dipolaires (GDR) dans le mode isoscalaire dépendant seulement de la densité ρ, ou bien encore le mode isovectoriel via le terme d’énergie de symétrie dépendant de la densité de protons ρP et de neutrons ρN. D’autre part, la phase d’effondrement des proto-étoiles à neutron (supernova de type II) ainsi que la phase de refroidissement associée sont intimement liées à la caractérisation des paramètres de volume, de surface, coulombien et de symétrie ainsi qu’à leur dépendance en terme de densité, de température ou encore d’isospin.


 

Isoscaling et énergie de symétrie


L’isoscaling est une loi d’échelle qui permet de relier le coefficient de symétrie de l’équation d’état de la matière nucléaire à 2 paramètres α et β. Celle-ci s’exprime comme le rapport des taux de production Y(Z,A) d’un noyau de charge Z et de masse A entre 2 systèmes différant seulement par leur isospin (rapport N/Z) en voie d’entrée soit R21 = Y2(Z,A)/Y1(Z,A) qui dans le cadre de l’isoscaling peut alors s’écrire comme : R21 ∝ exp(-α N+βZ). La conclusion principale de l’étude menée par G. Lehaut en collaboration avec F. Gulminelli durant sa thèse a été la mise en évidence du lien entre énergie de symétrie et l’isoscaling déterminé sur le plus gros fragment de l’événement. Ceci semble indiquer que la mesure événement par événement (mesure exclusive) des caractéristiques du plus gros fragment pourra ainsi fournir des indications sur la dépendance en température ainsi qu’en densité du coefficient d’énergie de symétrie.


 

Transitions de phase et bimodalité


Un autre enjeu de l’étude des collisions d’ions lourds autour de l’énergie de Fermi est lié à la caractérisation des phénomènes de fragmentation des noyaux à température finie. Parmi ceux-ci, le phénomène de multifragmentation (production multiple de fragments) est considéré comme la manifestation de la transition de phase de type liquide-gaz de la matière nucléaire. L’un des signaux attendus pour la transition de phase est la bimodalité du paramètre d’ordre de la transition, qui a pu être reliée dans un cadre théorique au caractère bimodal (2 composantes) des distributions de masse et charge des fragments dans la multifragmentation. L’étude présentée dans la référence a montré que les événements formés dans les collisions périphériques entre ions lourds conduisent à un caractère bimodal des distributions du plus gros fragment et ceci en utilisant deux méthodes différentes de sélection des événements de type quasi-projectile. Ceci accrédite l’idée d’une transition de phase observée dans un tel système, transition dépendant ici de l’énergie d’excitation E* (et donc de la température T associée). Les caractéristiques de cette transition ont ainsi été mises en évidence, notamment une détermination pour la première fois de la chaleur latente L associée à la transition liquide-gaz, qui vaut ici : L= 8.1±0.4 (stat.)± 1.2 (syst.) MeV. Ces mesures ont été obtenues grâce notamment au travail mené dans le cadre de sa thèse par Damien Mercier au laboratoire.


 

Production de particules chargées et diffusion en isospin


La 5e campagne de mesures effectuée avec le multidétecteur INDRA permet d’étudier l’influence de l’isospin (rapport N/Z) sur les mécanismes de production de particules et fragments dans les collisions entre ions lourds autour de l’énergie de Fermi. Dans ce cadre, le système Xe+Sn a été étudié dans la gamme d’énergie incidente comprise entre 8 et 45 MeV par nucléon. La possibilité de disposer de faisceaux de Xénon d’isospin différents, ici Xénon 124 et Xénon 136, sur des cibles isotopiquement pures, ici Étain 112 et Étain 124, autorise une telle étude. Pour les 2 systèmes de même masse totale, 124Xe+124Sn et 136Xe+112Sn,les taux de production deviennent identiques pour les grandes valeurs d’énergie transverse (voir rapport). Ceci est relié à la diffusion en isospin entre les 2 partenaires de la collision et permet d’obtenir des contraintes pour les modèles microscopiques de transport censés décrire les réactions nucléaires dans cette gamme en énergie. Ce travail est mené dans le cadre de la thèse au laboratoire de M. Kabtoul et des comparaisons avec le modèle de transport SMF (Stochastic Mean-Field) développé par M. Colonna et collaborateurs [10] sont en cours d’élaboration. D’autre part, on peut noter qu’une partie de l’expérience INDRA-VAMOS réalisée en 2007 (en cours de calibration actuellement) pourra bientôt apporter des réponses quant à la mesure de la diffusion d’isospin dans les collisions centrales.


 

Pouvoir d’arrêt de la matière nucléaire


Le pouvoir d’arrêt de la matière nucléaire caractérise le degré de dissipation obtenu dans les collisions entre ions lourds, il est notamment important pour contraindre les modèles microscopiques de transport mais également pour comprendre la dynamique de l’effondrement des proto-étoiles à neutron. Dans la thèse de G. Lehaut, un travail en collaboration avec D. Durand a permis de déterminer l’évolution du rapport d’isotropie en énergie RE des événements de collisions les plus violentes sur la gamme d’énergie incidente comprise entre 10 et 100 MeV par nucléon, et pour des systèmes symétriques de taille comprise entre 72 (Ar+KCl) et 394 (Au+Au). Le résultat est visible sur la figure 5 du rapport ci-joint. Les conclusions de cette étude, soumise pour publication, montrent que l’ensemble des systèmes présentent une transition entre un régime de basse énergie (Einc/A<30 MeV) gouverné par le champ moyen et un régime de plus haute énergie (30Thermométrie et calorimétrie des noyaux chauds Les noyaux et de manière plus générale les sources nucléaires excitées formées lors des collisions entre ions lourds autour de l’énergie de Fermi nécessitent une caractérisation précise en termes de taille, densité, énergie d’excitation et température. Ceci est en effet indispensable pour les études thermodynamiques conduisant à la caractérisation de l’équation d’état de la matière nucléaire.


 

Expérience INDRA-VAMOS


Dépendance en isospin du paramètre densité de niveau pour les noyaux de masse A=100 et mesure expérimentale de l’énergie de symétrie à basse densité

La campagne d’expériences E494S-E503 a été réalisée de Mars à Mai 2007 au GANIL. Elle a consisté à coupler le multidétecteur INDRA avec le spectromètre à grande acceptance VAMOS installé dans la salle G1. L’objectif de la première partie de l’expérience (E494S) est de caractériser la dépendance en fonction de l’isospin (rapport neutron-proton) du paramètre densité de niveau pour des noyaux formés par réaction de fusion complète entre un noyau d’Argon et un noyau cible de Nickel à basse énergie (ici Einc=13 MeV/nucléon). Différentes combinaisons de projectiles (Argon 34, 36, 40) et cibles (Nickel 58, 60 et 64) permettent alors de former des noyaux de Palladium (Z=46) excités de masse comprise entre 92 et 104. L’énergie d’excitation est ici modérée, de l’ordre de 3 MeV par nucléon et la principale voie de décroissance est alors ici l’évaporation de particules légères. Ainsi, par la mesure (Z, A et énergie) des particules légères chargées avec INDRA et la mesure précise (Z, A et vitesse) des résidus d’évaporation avec VAMOS, nous allons pouvoir déterminer, à l’aide de modèles statistiques décrivant l’évaporation, la dépendance du paramètre densité de niveau a, qui intervient notamment dans la relation entre énergie d’excitation E* et température T par la relation : E*=aT2. Les données, récoltées sur des noyaux exotiques de masse autour de 100 unités, n’ont jamais été réalisées dans des conditions expérimentales aussi exclusives (détection simultanée du résidu et des particules légères chargées). Nous pensons ainsi apporter des informations concernant la dépendance de a en fonction de l’isospin I=(N-Z)/A ; ceci est nécessaire pour permettre aux modèles statistiques de décrire correctement l’évaporation de noyaux exotiques loin de la vallée de stabilité. Dans le cadre du programme expérimental plus vaste lié à la poursuite des études thermodynamiques sur les noyaux chauds auprès des nouveaux accélérateurs produisant des faisceaux exotiques comme SPIRAL2 ou dans le futur plus lointain EURISOL, la connaissance de la dépendance en isospin du paramètre densité de niveau s’avère en effet indispensable. La seconde partie de l’expérience (E503) concerne des faisceaux de 40,48Ca à 35A MeV sur des cibles de 40,48Ca. Par la mesure croisée des caractéristiques des produits de réaction provenant des différentes combinaisons de ces systèmes, il est alors possible de mesurer précisément la diffusion d’isospin (diffusion neutronproton) dans les collisions dissipatives et notamment centrales. En effet, pour ce type de collisions, des sources nucléaires sont formées à basse densité (par rapport à la densité de saturation) et permettent alors de sonder la dépendance à basse densité de la part isovectorielle de l’équation d’état pour laquelle de grandes incertitudes existent (fig.1 droite). Ceci se place donc en droite ligne des études déjà entamées sur ce sujet (cf. paragraphe sur la diffusion de l’isospin).


 

FAZIA, un nouveau détecteur pour SPIRAL2


Dans le futur, les machines de faisceaux radioactifs (SPIRAL2/GANIL, SPES/LNL, EURISOL) délivreront des faisceaux très exotiques adaptés pour étudier le degré de liberté en isospin (rapport N/Z) de l’équation d’état du noyau. Pour ce faire, il sera nécessaire d’obtenir une identification étendue (Z et A) des produits de réaction qui n’est pas réalisée aujourd’hui. Le LPC-Caen est engagé depuis quelques années dans une collaboration européenne dont l’objectif est de construire un nouveau détecteur (FAZIA) possédant une identification étendue par discrimination en forme des signaux numérisés de courant et de charge issus de l’interaction des ions avec des détecteurs siliciums. Ce travail a été soutenu par l’Agence Nationale de la Recherche de décembre 2005 à juin 2008 (ANR-05-BLAN-0373-01) et s’insère dans une collaboration désormais officielle depuis 2006 (http://fazia2.in2p3.fr/spip/) qui regroupe des physicien(ne)s et ingénieurs européens (France, Italie, Pologne et Roumanie). La phase de R&D a été encouragée par le conseil scientifique de l’IN2P3 en 2007. FAZIA fait partie des nouveaux multi-détecteurs pour SPIRAL2 (Lettre d’Intention 18 [13]) et est soutenu par le FP7-Infrastructure SPIRAL2 Preparatory Phase (W.P. 5.3). Un Memorandum of Understanding (MoU) devrait être signé par les différents partenaires en 2010 pour la Phase FAZIA - Démonstrateur. Enfin, la collaboration participe à la définition du projet EURISOL. Dans le projet FAZIA, le LPCCaen est essentiellement impliqué dans la réalisation des expériences, l’Analyse en Forme des signaux, la mécanique, les simulations d’expériences [16], l’étude des détecteurs CsI(Tl) et la gestion de la collaboration. Parallèlement, des études théoriques des impulsions de courants induits par les ions lourds dans les détecteurs de silicium sont menées avec l’IPNOrsay. La phase I de FAZIA est désormais réalisée techniquement à 100%. L’expérience du GANIL en mai 2010 nous fournira des informations complémentaires utiles à la définition de la Phase II. La qualité de l’identification (A, Z) obtenue dépasse, à notre connaissance, tout ce qui avait été fait jusqu’alors. Cette deuxième phase « démonstrateur » permettra à la collaboration FAZIA d’effectuer des mesures dans le cadre d’un programme scientifique défini auprès des installations existantes en Italie et en France basé sur des simulations effectuées dans le cadre de la collaboration.