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De nouvelles lois pour les transitions de phases des systèmes finis ?

Excités à haute énergie, les noyaux subissent un changement

d’état qui s’apparente à une transition de phase liquide-gaz et est associé à une explosion du système en de multiples fragments. En étudiant la fragmentation de noyaux chauds produits par des collisions entre noyaux lourds auprès des accélérateurs GANIL et SIS (Darmstadt), les physiciens des collaborations INDRA (CNRS(1)-CEA(2)) et ALADIN ont mis en évidence de nouvelles lois d’échelle dans la zone de coexistence des phases. Ces résultats pourraient s’appliquer à d’antres systèmes finis comme les agrégats atomiques ou même aux galaxies. Ils sont publiés dans la revue Physical Review Letters(3).

Quelles sont les limites de la stabilité nucléaire ? Pour expliquer le comportement des noyaux à partir des interactions entre les nucléons qui les composent et ainsi faire progresser leur connaissance du monde subatomique, les physiciens nucléaires explorent les états extrèmes des noyaux notamment en étudiant la désexcitation des noyaux chauds par fragmentation. Les caractéristiques de la force d’interaction entre nucléons étant comparables à celles de la force de van der Waals qui agit dans les fluides classiques, la désexcitation des noyaux chauds par fragmentation peut être associée à une transition de type liquide-gaz.

Les transitions de phases sont des phénomènes bien connus au niveau macroscopique, où des lois d’échelle sont observées au point critique de la transition de phase : elles concernent la taille et les fluctuations en taille des objets formés. Pour les systèmes finis comme par exemple les noyaux atomiques, le formalisme est en cours d’élaboration. Il y a quelques années, ces memes lois d’échelle avaient été observées pour les noyaux atomiques (à la différence des systèmes macroscopiques, elles avaient été observées non pas au point critique de la transition mais dans la zone de coexistence des phases).

En comparant les distributions en taille des fragments produits dans des réactions de fusion - fragmentation au GANIL et de fragmentation de noyaux projectiles d’or à SIS et détectés avec le multi détecteur INDRA, de nouvelles lois d’échelle ont été établies. Les évolutions de la taille du plus gros fragment et de la taille relative des autres fragments, nommées « asymétries en taille » sont déterminées, à énergie d’excitation donnée, par le nombre de fragments émis divisé par la taille du noyau chaud qui fragmente.

De premiers indices théoriques semblent indiquer que le volume des noyaux chauds au moment de leur fragmentation (de 2 à 6 fois le volume à densité normale) est déterminant pour observer de telles lois d’échelle. Un travail théorique plus approfondi permettra de mieux comprendre les observations expérimentales.

Les systèmes finis font partie de la classe plus générale des systèmes non extensifs pour lesquels la portée de la force mise en jeu est comparable à la taille linéaire du système considéré. Ces nouvelles lois observées pour les noyaux atomiques ont donc des chances d’être observées pour d’autres systèmes non extensifs, qu’ils soient microscopiques comme les agrégats atomiques ou de très grande dimension comme les galaxies.

Ces travaux font suite à la mise en évidence expérimentale en 2009, par les mêmes collaborations, de la distribution bimodale du paramètre d’ordre (distribution en taille du plus gros fragment) qui est la signature générique d’une transition de phase du premier ordre pour les systèmes non extensifs(4). L’ensemble de ces résultats témoigne de l’apport de la physique nucléaire à la problématique générale des transitions de phases.

  1. CNRS/IN2P3 : institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS
  2. CEA/DSM : Direction des sciences de la matière du CEA
  3. ”New Scalings in Nuclear Fragmentation “ Physical Review Letters, 105, 142701 (2010)
  4. “Bimodal Behavior of the Heaviest Fragment Distribution in Projectile Fragmentation” Physical Review Letters, 103, 072701 (2009)

 

IPN

Institut de Physique Nucléaire Orsay - 15 rue Georges CLEMENCEAU - 91406 ORSAY (FRANCE)
UMR 8608 - CNRS/IN2P3

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