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
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