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Physique Théorique et Phénoménologie

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Physique quantique des systèmes à N-corps


La physique des gaz quantiques près du zéro absolu (ultra-froid) est actuellement un des domaines de recherche les plus actifs, tant expérimentalement que théoriquement. Ces systèmes quantiques à plusieurs corps en interaction exhibent des comportements collectifs typiques de la physique de la matière condensée ou de la physique nucléaire. Par exemple, dans un gaz de Fermi, la présence d’interactions attractives provoque l’appariement des fermions et l’émergence d’une phase superfluide, analogue à celle des supraconducteurs, de l’Helium 3, des noyaux atomiques ou des étoiles à neutrons. La limite unitaire, où la section efficace de collision prend la valeur maximale autorisée par la mécanique quantique, est l’une des plus redoutables sur le plan théorique : il n’y apparaît en effet aucun petit paramètre susceptible de permettre des développements perturbatifs autour d’un modèle soluble. On s’attend toutefois à voire émerger des propriétés universelles puisque l’interaction n’introduit aucune échelle de longueur ou d’énergie. Nous avons poursuivi l’étude de l’état fondamental d’un système dilué de fermions de spin ½ en interaction résonnante au travers de calculs Monte-Carlo quantique (QMC) exacts dans le cadre d’un modèle sur réseau. De façon générale, les méthodes QMC offrent une alternative attrayante à la complexité exponentielle du problème quantique à N-corps en reconstruisant l’état exact du système par la moyenne de trajectoires Browniennes en temps imaginaire d’états à particules indépendantes. Mais elles se heurtent souvent à l’émergence de configurations à « poids négatifs » qui les rendent inopérantes. Nous avons néanmoins montré en 2007 qu’une modification de la dynamique stochastique des états individuels pouvait éviter l’apparition des trajectoires « pathologiques ». Les principaux résultats obtenus ces deux dernières années sont listés dans le rapport ci-dessous. Les résultats encourageants que nous avons obtenus pour le gaz unitaire nous ont enfin amené à explorer la possibilité d’appliquer notre nouvelle approche QMC au problème à N-corps nucléaire dans le cadre du modèle en couches des noyaux atomiques. Ce travail fait l’objet de la thèse de J. Bonnard (démarrée le 1-10-09) et poursuit l’objectif de disposer à terme d’une réelle alternative aux méthodes de diagonalisation directe.


 

Transitions de phase des noyaux aux étoiles


A température finie et faible densité, une transition de phase du type liquide-gaz est générique pour tout système caractérisé par une répulsion à courte portée et une attraction à longue portée, comme c’est le cas pour les nucléons dans les noyaux. En physique nucléaire, cette transition est associée à la dissociation des noyaux en fragments, phénomène connu sous le nom de multi-fragmentation. Dans la réalisation en laboratoire de la transition, nous nous attendons à ce que la physique du phénomène soit toutefois profondément différente du cas bien connu de la matière condensée macroscopique, et ceci pour au moins trois raisons :

  • La non applicabilité de la limite thermodynamique, avec par conséquence la présence d’anomalies thermodynamiques telles une chaleur spécifique négative ;
  • La présence de l’interaction coulombienne sur des échelles de longueur comparables à celles de l’interaction nucléaire, avec un effet de frustration bien connu en mécanique statistique ;
  • Les effets hors équilibre dus aux courtes échelles de temps de collision, en particulier la diabaticité de la dynamique d’expansion.


La compétition entre les corrélations induites par l’interaction forte et les anti-corrélations dues à l’interaction coulombienne engendrent un phénomène de frustration qui modifie en profondeur le diagramme de phase des noyaux par rapport à celui des liquides macroscopiques. Nous avons abordé ce sujet avec des stratégies complémentaires. Les modèles classiques sur réseau (LGM) fournissent une description très schématique des noyaux, mais ils présentent l’avantage de pouvoir être résolus exactement ; les modèles statistiques avec des degrés de liberté de fragments (CTM) sont des modèles phénoménologiques, mais ils sont dotés d’un fort pouvoir prédictif, finalement la dynamique moléculaire anti-symétrisée (FMD) est un modèle microscopique et quantique puissant, bien que sa mise en application soit très lourde numériquement. L’ensemble de ces travaux montre clairement qu’il est possible de définir des transitions de phase même pour des systèmes avec un très petit nombre de corps, et les caractériser expérimentalement en analysant la distribution du paramètre d’ordre. En ce qui concerne la transition de multi-fragmentation, la taille du plus gros fragment joue le rôle de paramètre d’ordre. Une collaboration très fructueuse de notre groupe avec la collaboration INDRA en France et la collaboration MULTICS en Italie a permis de mettre en évidence le signal prévu de bimodalité dans la distribution de taille du plus gros fragment, dans les données de multi-fragmentation enregistrées de façon indépendante par les deux collaborations. (suite voir rapport).


 

Simulations numériques des réactions nucléaires


Les réactions nucléaires conduisent à une grande diversité de phénomènes, tels que la cassure d’un noyau en plusieurs « clusters » (multifragmentation) à l’énergie de Fermi. Afin de décrire cette diversité et de tester certaines hypothèses faites lors des analyses des mécanismes de réaction, notre groupe développe des modèles phénoménologiques (générateurs d’événements) facilement testables par comparaison avec des données expérimentales issues de multidétecteurs. Au milieu des années 2000, les modèles HIPSE (Heavy-Ion Phase- Space Exploration) dédié aux collisions d’ions lourds et n-IPSE (nucleon-Ion Phase-Space Exploration) dédié aux réactions de spallations induites par des nucléons ont été proposés et comparés avec succès à divers ensembles de données expérimentales. Récemment, la physique de ces modèles a été revisitée, en particulier la partie dédiée à la désintégration des noyaux primaires excités produits dans la phase d’entrée de la réaction. Ceci a mené à la réalisation d’un nouveau générateur d’événements baptisé ELIE. Les deux paramètres essentiels du modèle sont la température limite ’supportable’ par les noyaux et le libre parcours moyen des nucléons dans les noyaux en interaction. La confrontation avec les données expérimentales conduit à une température limite de l’ordre de 5,5 MeV et une énergie d’excitation maximale de 3 MeV ainsi que des libres parcours moyens grands suggérant une large transparence des noyaux dans le domaine des énergies intermédiaires. L’ensemble des résultats du code ELIE comparés avec des données INDRA et la présentation du modèle doivent être publiés prochainement.