Du keV au GeV : La température à l’assaut de la

matière

E. Suraud, Univ. P. Sabatier, Toulouse

La température, source de « désordre » ou source « d’ordre » ?

• Température source de « désordre »• Température source d’ « ordre »• Exemples : du keV au GeV… autour des noyaux (des

atomes aux quarks)• Dynamique, systèmes finis … et conclusions

Plan

La température, source de désordre

Diagramme de phase

d’un corps pur réel

« Ordre » Température « Désordre »

Solide Liquide Gaz

Exemple

La température, source de désordre

Transition de phase ferromagnétique

Ferromagnétisme Paramagnétisme

Température

Aimantation du Nickel

Cas du NickelTempérature critique (Curie)Tc = 627 K

Exemple

La température… entre ordre et désordre

- collisions dans un gaz=> distribution thermique (Maxwell)=> état asymptotique de l’équation

de Boltzmann - Corps noir

Evaporationstatistique

Equilibre thermique/statistique … « simple » espace de phase!Paradoxal ?

Température <~> Equilibre=> Temps … et Temps

Exemples

Exemple

La température … source d’ordre

Mouvement BrownienAgitation thermique <—> viscosité

NB : … et effets quantiques

Activation thermiqued ’une réaction chimiqueFormule d ’ArrhéniusTaux réaction α

exp(-Ea /T)

Exemple

Exemple

Quelques ordres de grandeur

Système Energie Température

Molécules, agrégats eV 0.01 – 100 eV

Atomes eV - keV eV - keV

Noyaux MeV keV – 10 MeV

Quarks GeV 100 MeV

Rappel : 1 eV ~104

K

Les ions chauds … de la fusion thermonucléairePlasma Deutérium (2H, D), Tritium (3H, T)

D + T ——> 4He + n + 17.6 MeVTempérature T ~ 10 keV

Exemple typique de traversée d’une barrière par activation thermique

NB : avec de la mécanique quantique sous jacente !NB : T ~ 10 keV << MeV ——> « noyaux » froidsmais ... ions chauds

La fusion… un problème compliquéProblèmes … du confinement (magnétique, inertiel…)… des hautes températures / énergies cinétiques… de la rentabilité du processus..

Exemple

Fusion du Deutériumd’agrégats irradiés par laserD + T ——> 3He + nfusion, source neutrons...

Neutrons à 2.45 MeV

Temps de vol neutrons—>

Agrégats en champ laser intense

Energie (keV)

Distribution angulaireElectrons émis

—> électrons au keV (thermiques)—> ions au MeV—> rayonnement X

Anisotrope(laser)

Isotrope(thermique)

Exemple Irradiation laser d ’agrégats de Xenon

1 2 3

Des noyaux … chauds

Dépôt d’énergie thermiquedans un noyau (par neutron,par collision noyau-noyau …)——> température——> peuplement statistique

des niveaux——> émission isotrope

Rôle du niveau de Fermi εF

T <—> εF (~ 40 MeV )T ~> 1- 8 MeV

Froid Chaud

Taille

Section efficcace

Température et formes nucléaires

Déformation

Elévation de température :i) exploration des minima

(saut d’un puits à l’autre)ii) modification du potentiel

Haute température :~> forme sphérique(disparition des effets de couches quantiques)

Température

Sphère

Cigare

Crèpe

Un diagramme de phase des formes nucléairesDeux paramètres :- Energie/température- Moment cinétique

Transition : ~ prolate ~> oblateNB : phénomène générique(transition de phase)

Mesures par résonance dipolaire géante

Exemple 166Er

Température

Moment cinétique

prolate

oblate

Une horloge thermique

Evaporation statistiquedes neutrons d’un noyau chaud

τ

~ 1/ T2 exp(- μn / T)

r0 ~ 1. fm , vF ~ c / 3εF ~ 40 MeV

Mesure de temps nucléairesTempérature

Temps

Grande dynamique des temps

Comment mesurer les temps nucléaires avec une horloge thermique ?

Mesure i) du nombre de neutrons émisii) de la distribution angulaire1 noyau : « isotrope »2 noyaux : « anisotrope »

Accès :i) au temps de fission τ ~ 10-20 sii) à la viscosité nucléaire

Fission d’un noyau chaudExemple

Déformation

1 source 2 sources

Des noyaux chauds … dans les étoilesFin d’évolution des étoiles massives ~> supernova (SN2)

Effondrement ——> Matière nucléaire ——> Explosion(cœur de Fer) (peu compressible) (onde de choc)

Problème exotique et compliqué(neutrons, protons, noyaux, électrons, photons, neutrinos)

Fin effondrement cruciale pour condition initiale explosion Equation d’état :

P ~ k ργ

γ

<—> γc ~ 4/3 (Chandrasekhar)

Phases nucléaires exotiques dans les supernovae

Effo

ndre

men

t

Température

Plasma … Cristal … PlasmaPhase de matière

Explosion

Explosion

Des noyaux … très chauds

Observation du maximum

d’énergie d’excitationE*/A ~T2

déposée(collisions noyau-noyau)

Température

Taille noyau

La température limite des noyaux

Stabilité noyau ~ compétition« Surface » / « Coulomb » *

Evolution avec températureSurface et Coulomb

~> Instabilité Coulombienne~> Température limite

*… et effets quantiques

Casser les « gros » noyaux … en « petits » noyaux

12C (85 MeV par nucléon)sur Ag/Br

Production de fragments massifsTempérature ?Collisions noyau-noyau——> viscosité——> énergie thermique——> température

Est-ce thermique?

Multifragmentation

La multifragmentation… une affaire (d’équation) d’état ?Lien avec une transition de phaseliquide-gaz ?

Attention:- systèmes finis- effets dynamiques

Multifragmentation

Equilibre

Densité (fm-3)

Pression

Vers le plasma de quarks et gluons

Collisions d’ions lourds ultra-relativistes

Collision Pb + Pb à 160 GeV par nucléon (CERN)

Formation temporaire d’un plasma de quarks et gluons ?(déconfinement des quarks)

Dynamiquecomplexe

Thermodynamique

Exemple

Diagramme de phase de la matière nucléaire

Equation d’état de la matière nucléaire « dense et chaude »

Température... et systèmes finisMultifragmentationnucléaire

Capacité calorifiqued’un agrégat

Température

Solide

Agrégat

Effets de taille finie ! (définition température, fluctuations,élargissement des transitions…)

Température … et dynamiqueLa dynamique permet-elle la thermalisation dans les collisions noyau-noyau ?

A haute énergie…Pb + Pb (160 GeV)

Et … à basse énergie

Pour conclure ...

La température… du keV au GeV

Ordre ET Désordre

changer de forme, de phase ...« casser » …« coller » …

Et tout celadans des systèmes finisparfois avec une dynamique complexe