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.... et des noyaux atomiques qui se cassent

Dossier - Changement de phase à Lilliput
DossierClassé sous :physique , température , chimie

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Quand on chauffe un liquide, on observe que sa température augmente jusqu'au moment où il est porté à ébullition. L'accroissement de température s'arrête alors miraculeusement. Pourquoi ? Ces interrogations seront l'objet de ce dossier.

  
DossiersChangement de phase à Lilliput
 

Un an plus tôt, en utilisant une méthode basée sur les fluctuations d'énergie, plusieurs groupes de physique nucléaire ont rapporté l'observation de capacités calorifiques négatives lors de la multifragmentation des noyaux chauds. Cette fois-ci le noyau refroidirait de plusieurs milliards de degrés au point d'ébullition situé autour de 70 milliards de degrés.

Résultat d'une simulation d'une collision entre un noyau de lanthane et un noyau de cuivre lancé au tiers de la vitesse de la lumière. La surface correspond à 10 % de la densité normale. La température locale est représentée en fausses couleurs. Le rouge est associé à 100 milliards de degrés, le bleu à 0. Les calculs présentés sont effectués dans le cadre du champ moyen stochastique semi-classique.

Au cœur de l'atome, le noyau. Dans le noyau, une matière deux cent mille milliards de fois plus dense que l'eau, la matière nucléaire constituée de protons et de neutrons. Pour explorer les propriétés thermiques et mécaniques de cette matière nucléaire, les chercheurs utilisent les collisions entre noyaux provoquées à l'aide d'accélérateurs de particules. À basse température, les protons et neutrons se condensent en gouttelettes : les noyaux. En excitant de plus en plus les noyaux, ils finissent par se vaporiser.

Il a récemment été proposé 4 de mesurer directement la capacité calorifique des systèmes nucléaires fragmentés en observant les fluctuations de l'énergie cinétique. En effet, pour une énergie totale constante, l'agitation thermique est un réservoir d'énergie pour les interactions. Les échanges d'énergie étant régis par les capacités calorifiques, les fluctuations de cette énergie partielle (l'énergie cinétique) sont une mesure de ces capacités. Quand le système a une capacité calorifique négative, il hésite entre liquide et gaz. Son énergie d'interaction fluctue et l'agitation thermique varie de conserve. Les fluctuations de l'agitation thermique en présence d'un changement d'état deviennent ainsi plus grandes que celles attendues en l'absence de transition.

Haut : fluctuations d'énergie cinétique mesurées dans l'expérience. Milieu : comparaison entre les fluctuations observées et la prédiction canonique C1 (voir texte). Bas : capacité calorifique du système extraite en utilisant la formule (1) ; la zone grisée prend en compte les différentes erreurs alors que les points n'utilisent que la valeur moyenne.

Cette procédure vient d'être appliquée avec succès à plusieurs expériences (voir Encadré II ). La figure ci-dessus présente un exemple d'une telle analyse pour la fragmentation de projectiles d'or sur une cible d'or. Ces données ont été mesurées dans le laboratoire MSU aux Etats Unis par une équipe italo-américaine avec le détecteur MULTICS-MINIBALL 5. Bien que l'énergie de bombardement soit fixe (35 millions d'électronvolts par nucléon) les collisions périphériques correspondent à toute une gamme d'énergies d'excitation. En effet, le projectile et la cible n'ont qu'un bref contact durant lequel une partie de leur énergie cinétique est dissipée en chaleur. Deux noyaux chauds sont formés. Dans cette expérience, seul le noyau projectile a été étudié.

La présence d'une transition de phase est trahie par un pic de fluctuation de l'agitation thermique

qui dépasse la valeur attendue (canonique)
. C'est exactement ce que nous observons sur la figure 4. Dans le cadre de cette analyse, la région où la fluctuation est anormalement grande est au milieu de la zone de transition liquide gaz.

En suivant cette philosophie on peut ainsi extraire la capacité calorifique du système. Dans la région où dépasse

, la capacité calorifique totale est négative. Cette branche négative est entourée de deux divergences là où . L'expression quantitative de la capacité calorifique peut etre évaluée à l'aide de la formule approchée 4.


Des résultats analogues pour le système formé lors de collisions frontales entre un faisceau de xénon à 32 millions d'électronvolts par nucléon et une cible d'étain sont présentés sur la figure suivante ainsi qu'une systématique à plusieurs énergies. Ces résultats ont été obtenus au GANIL avec le détecteur INDRA 6. Dans le cas de collisions frontales, les deux noyaux fusionnent en un seul système chaud.

Quelques particules ne participent pas à la formation du système équilibré. Elles emportent peu d'énergie, ce qui permet d'étudier un système d'énergie variable mais dans une gamme beaucoup plus étroite que celle obtenue dans l'expérience décrite précédemment. Pour couvrir une large gamme il faut utiliser plusieurs énergies incidentes.

Capacité calorifique du système extraite en utilisant les fluctuations d'énergie pour le système Xe+Sn à 32, 39, 45 et 50 MeV/nucléon.

Il est important de souligner que ces analyses font appel à une méthode inédite. Elle demande maintenant un travail collectif de critique, d'amélioration et de contrôle. De nouveaux tests de l'équilibre et une meilleure connaissance des propriétés du système au moment où les fragments se forment, en particulier son volume et son énergie d'excitation, sont nécessaires. Ce travail est actuellement entrepris tant du point de vue expérimental que théorique.

Les enjeux sont grands. Si ces résultats sont confirmés, la première observation d'une capacité calorifique négative aurait été effectuée grâce aux noyaux chauds. L'outil des fluctuations maîtrisé ouvrirait la porte à une véritable métrologie de l'équation d'état et du diagramme de phases des noyaux. Mais, dans tous les cas, ces étonnants petits systèmes qui refroidissent quand on les chauffe changent notre compréhension de la thermodynamique et des transitions de phase. Pas de bain-marie à Lilliput.


Encadré II : Comment reconstruire les fluctuations de l'agitation thermique en physique nucléaire.

Après une collision entre ions lourds, les physiciens détectent tous les fragments émis grâce à des appareillages spécifiques. Pour reconstruire les fluctuations de l'agitation thermique à l'instant où le système nucléaire produit par la collision se fragmente, il faut suivre une procédure expérimentale bien définie dont chaque étape doit être contrôlée de façon critique :

  • Isoler une source de masse et d'énergie d'excitation connues en triant les événements et en procédant à une étude calorimétrique
.
  • Contrôler que cet état est compatible avec un état d'équilibre ;
  • Utiliser l'information mesurée pour reconstruire les propriétés du système à l'instant où il s'est fragmenté ; en particulier on peut reconstruire la masse et la charge des fragments tels qu'ils existaient à ce moment-là
;
  • Calculer un bilan de masse pour chaque événement et en déduire la composante de l'énergie qu'il faut fournir pour former cette partition en plusieurs fragments et l'énergie de la répulsion électrique de ceux-ci ; le reste de l'énergie disponible est réparti en énergie d'excitation interne et en mouvement des fragments les uns par rapport aux autres, ces deux contributions pouvant être vues comme l'agitation thermique globale.

La valeur moyenne de l'agitation thermique fournit un thermomètre.

L'évolution de la température de cette agitation en fonction de l'énergie correspondante permet de calculer les fluctuations attendues dans un cas normal, c'est-à-dire si le système était placé dans un bain thermique. En comparant cette fluctuation attendue et celle réellement observée, on peut déduire la capacité calorifique du système. En particulier, l'observation d'une fluctuation plus grande que celle attendue démontre l'existence d'une transition de phase. La capacité calorifique est alors négative.