Dynamique nucléaire Olivier LOPEZ 20 ans d'INDRA 1 Physics Motivations Dynamics of heavy ion collisions - Reaction mechanisms and transport properties - Deep Inelastic, neck emission, multifragmentation - Isospin diffusion, nuclear stopping, particle flows - In-medium properties : NN mean free path and cross section - Link to the EOS - Compressibility (radial/elliptic flows) - Symmetry energy for asymetric NM Thermodynamics of (hot) nuclear matter - Nuclear matter in proto-neutron stars - bulk properties vs finite size effects (surface, coulomb, nuclei) - Phase transitions for strongly correlated finite systems - Phase diagram : Liquid-Gas phase transitions, first/second order - Critical phenomena, universal fluctuations - Temperature/Density/Isospin dependence Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Physics playground : Equation of State E = f( ρ , T ,δ ) Astrophysical context (NS) Nuclear matter : Bulk properties Extensive systems (volume,size) Symmetric NM or pure neutron matter (δ=0,1) Phase Diagram structure and Phase Transitions Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Physics playground : Equation of State E = f( ρ , T ,δ ) Astrophysical context (NS) Nuclear matter : Bulk properties Terrestrian Labs Nuclei : Finite-size effects Extensive systems (volume) Non-extensive systems (surface, Coulomb) Symmetric NM or pure neutron matter (δ=0,1) Asymetric NM (|δ|~0-0.5, Esym) Phase Diagram structure and Phase Transitions Conseil Scientifique LPC Caen, 11/07/13 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique Phase diagram of Nuclear Matter Connection to HE physics : QGP Big Bang Critical points Ve 5M1051 er ut ar ep me T QGP 200 AGeV Hadron gas 1st order PT 10-100 AMeV Gas Liquid-Gas coexistence Liquid Spinodal region (outer) Neutron Stars (inner) δ = (N-Z)/A 1/3 11 55-10Density ρ/ρ0 Introduction of the Isospin degree of Freedom Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Why the Fermi energy domain ? bred 25A - 60A MeV Reaction Mechanisms (medium-A symmetric systems) EFermi 1 Neck emission Deep Inelastic Preequilibrium Participant-Spectator 0.5 Radial expansion Fusion NN collisions Mean-Field Fusion (incomplete) Multifragmentation 10 20 Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 30 40 50 60 70 80 90 100 Einc (MeV/A) Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Why the Fermi energy domain ? bred 1 25A - 60AINDRA MeV Reaction Mechanisms 1993 : 36Ar+58Ni/KCl 32A-95A MeV (GANIL) (medium-A symmetric systems) 58 58 1994 : Ni+ Ni 32A-90A MeV (GANIL) EFermi 1999 : 129Xe+natSn 25A-150A MeV (GSI) Neck emission 1999 : 197Au+197Au 40A-150A MeV (GSI) 2001 : 124,136Xe+112,124Sn 32A,45A MeV (GANIL) Preequilibrium Deep 40,48 2007 : 40,48Ca+ Ca 35A MeV (GANIL) Participant-Spectator Inelastic 2011 : 181Ta+27Al/66Zn/197Au 19A-40A MeV (GANIL) Radial expansion 0.5 INDRAFusion « dissipation » 27 Mean-Field 1997 : 93Nb+ Al/24Mg 30A MeV (GANIL)NN collisions Fusion 1997 : 107Ag+58Ni 52A MeV (incomplete) (GANIL 1997) INDRA SPIRAL1 Multifragmentation 2005 : 75-82Kr+40Ca 5.5A MeV (SPIRAL) INDRA-VAMOS 34-40 58-64 30 40MeV 50 60 70 80 2007 :10 Ar+20 Ni 12A-13A (SPIRAL) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 90 100 Einc (MeV/A) Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire INDRA Collaboration Spécifications : - 336 ChIo-Si-CsI telescopes (1200 ch.) - 90% 4π - High-dynamic range Electronics (VXI) - Energy dynamics : 1-100 MeV/A - Z and A Identification for 0<Z<5 (CsI) - Z Identification for Z=1-92 Multidétecteur INDRA : INstrument de Détection avec Résolution Accrue 5 institutes : GANIL, IPN Orsay, LPC Caen, INFN Naples, Université LAVAL Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 - Detection Threshold about 1 MeV/A Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire INDRA : exclusive measurements (4π) Accessing to all impact parameters and reaction mechanisms : - Fragmentation, - deep inelastic, - neck emission, - incomplete fusion ... V. Métivier et al, NPA 672 (2000) 357 INDRA : event selection Accessing to all impact parameters and reaction mechanisms : Fragmentation, deep inelastic, neck emission, incomplete Fusion b V. Métivier et al, NPA 672 (2000) 357 Getting full information on an event-by-event basis : Global variables, event selection Principal Component Analysis Selecting central (violent) events N. Bellaize et al, NPA 709 (2002) 367 P. Désesquelles et al, PRC 62,024614 (2002) Ph. Lautesse et al, PRC71, 034602 (2005) Multivariate moments Discriminant Analysis for reaction mechanisms Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Highlights from INDRA (dynamics) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Vaporisation σ vap ≈ 10-4 σ R E*/A ≈ 12 MeV C.O. Bacri et al., PLB 353 (1995) Dissipative binary collisions M.F. Rivet, PLB 388 (1996) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Dynamical effects (1/2) Fission Aligned symmetric/asymetric fission for PLF F. Bocage et al., NPA 676 (2000) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Dynamical effects (2/2) Neck emission - Alignment depending on the distance between QP/QT - Polarization effects for Short distances/ impact parameters V. Métivier et al., NPA 672 (2000) D. Gruyer et al., submitted to PRL Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Dynamical effects (2/2) Neck emission Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Mass hierarchy in velocity Strong memory of the entrance channel Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Dynamical effects (2/2) Neck emission Mass hierarchy in velocity Strong memory of the entrance channel Compatible with a geometrical scenario (overlap) Agreement with INC T. Lefort et al, NPA662 (2000) 397 D. Doré et al, PRC63, 034612 (2003) F. Bocage et al, NPA 676 (2000) 391 J. Colin et al, PRC 67 064603 (2003) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire (Incomplete) Fusion - Steady decrease from 30A to 50A MeV - Disappearance above 50A MeV - Agreement with existing data P. Lautesse et al., EPJA 27 (2006) Multifragmentation (1/2) Statistical Multifragmentation Model (SMM) accounts for the data (central events) Partitions are mainly governed by the thermal part of E* Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Multifragmentation (1/2) Statistical Multifragmentation Model (SMM) accounts for the data (central events) Partitions are mainly governed by the thermal part of E* Radial flow : dependence of the entrance channel (mass asymmetry) and incident energy N. Marie et al., PLB 391 (1997) 15 N. Bellaize et al., NPA 709 (2002) 367 A. Le Fèvre et al., NPA735 (2004) 219 Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Multifragmentation (2/2) Radial flow systematics Constraints for transport (dynamical) models Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Transport properties : from Fermi to relativistic energies - Nice crossover between INDRA and FOPI data - Stopping is minimum close to the Fermi energy A. Andronic et al., EPJA 30 (2006) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Transport properties (1/2) Energy dissipation Stopping power of nuclear matter No full stopping even around the Fermi energy Mass hierarchy at high incident energy Transition between MF (1-Body) to NN collisions (2-Body) for the energy dissipation around EFermi G.Lehaut et al., PRL 104 (2010) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Transport properties (1/2) Energy dissipation Stopping power of nuclear matter No full stopping even around the Fermi energy Mass hierarchy at high incident energy Transition between MF (1-Body) to NN collisions (2-Body) for the energy dissipation around EFermi O. Lopez et al., INPC 2013 Conseil Scientifique LPC Caen, 11/07/13 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique Transport properties (1/2) Energy dissipation Landau-Vlasov simulations (P. Eudes) Stopping power of nuclear matter No full stopping even around the 0.5σNN Fermi energy Mass hierarchy at high incident energy Transition between MF (1-Body) to NN collisions (2-Body) for the energy dissipation around EFermi Provide strong constraints for transport models Give access to the in-medium properties (λ ΝΝ,σ ΝΝ) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Transport properties (2/2) Isospin diffusion - Better agreement with an asy-stiff EOS : Esym α (ρ /ρ0) - Isospin equilibration time around 130 fm/c E. Galichet et al., PRC 79 (2009) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Transport properties (2/2) Isospin diffusion IMF difference : {M(Z>2)136_112 – M(Z>2)124_124} data (M>1 QP) & SMF PRELIMINARY b= 8 6 4 fm M. Kabtoul, PHD Thesis LPC Caen (2013) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Transport properties (2/2) Isospin diffusion IMF difference : {M(Z>2)136_112 – M(Z>2)124_124} data (M>1 QP) & SMF PRELIMINARY Difference=neck emission Iso-stiff (γ=1) b= 8 Iso-soft (γ=0.6) 6 4 fm M. Kabtoul, PHD Thesis LPC Caen (2013) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Models : Describing HIC dynamical features HIPSE (hybrid) A. van Lauwe et al., PRC 69 (2003) But also microscopic models SMF/BOB : G. Tabacaru et al., EPJA 18 (2003) , NPA 674 (2006) J.D. Frankland, NPA 689 (2001) BLOB : P. Napolitani and M. Colonna, PLB 726 (2013) 382 Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Can we go further ? Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Why measuring the masses with 4π FAZIA ? ? Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Perspectives : Isoscaling and SE Lattice-gas simulations with isospin-dependent hamiltonian G. Lehaut et al., PRL 102 (2009) Isoscaling parameters Obtained from isotopic distributions for Zmax True value Isotopic distributions for Z=3-8 Isoscaling (Total) Best estimator from LG simulations : isotopic distributions of the biggest fragment (Z,A)max Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Why measuring the masses with 4π FAZIA ? Phase transitions/calorimetry : better estimation for primary fragments Multifragmentation EOS : radial flow, spinodal decomposition : symmetry energy determination (iso- scaling, distributions) Dynamical effects : better determination of the neck emission Intra-event correlations : better granularity compared to INDRA or CHIMERA Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Going further : A-identification with 4π array Digital Electronics and Sampling :Pulse shape analysis (algorithms) State-of-the-art Detection strategy : Si-Si-CsI telescopes with uniform resistivity for the Si (NTD) and concentration for CsI(Tl) at 2000 ppm) 4π acceptance with high granularity : ~ 2,000 cells Next-gen trigger : multi-level mode Integrated Electronics : FEE Cards (PACI, FPGA,HV monitor) Automated calibration procedures : Digital Signal Processing Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Going further : A-identification with 4π array Digital Electronics and Sampling :Pulse shape analysis (algorithms) State-of-the-art Detection strategy : Si-Si-CsI telescopes with uniform resistivity for the Si (NTD) and concentration for CsI(Tl) at 2000 ppm) 4π acceptance with high granularity : ~ 2,000 cells Next-gen trigger : multi-level mode FAZIA Project* Integrated Electronics : FEE Cards (PACI, FPGA,HV monitor) Automated calibration procedures : Digital Signal Processing *http://fazia.in2p3.fr Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire Timeline for FAZIA experiments 2015 : 2 accepted experiments at LNS Catania (4 blocks) IsoFAZIA : Isospin transport at Fermi energy for 78Kr +46Ti and 78Kr +50Ti at 35A MeV, spoke persons : S. Piantelli and N. Le Neindre FAZIAsym : Isotopic cross section measurements in the spoke person : E. Bonnet 40,48 Ca+40,48Ca systems at 35A MeV 2016+ : INDRA-FAZIA(12 blocks) coupling @ GANIL GANIL : 124,136Xe at 25A-50A MeV : Symmetry energy and EOS SPIRAL : 14,15,19,20O + 12,13C/7,9Be : statistical .vs. cluster decay 2020-2025? : INDRA-FAZIA or FAZIA (12+) + other SPIRAL2 : 80-94Kr+40,48Ca, E=8A MeV : Fusion/Deep Inelastic SPIRAL2 : 78,92Kr + 238U at E/A=8.5 MeV (+VAMOS, MWPC) : isospin transport 2025?? : FAZIA 4π ? EURISOL/SP2-PA : Fermi domain (see after) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire The EURISOL perspective... (2025?) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire This is not the end... Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire INDRA-FAZIA : 2020+ @SPIRAL2 LoI SP2 : a large “panoplie” of n-rich and p-rich beams is necessary with bombarding energies above the Coulomb barrier and up to the maximum SPIRAL2 possibilities. Limiting temperatures in hot N/Z asymmetric nuclear systems 1,2 N/Z dependence of nuclear level densities in warm nuclei 1,2,3 Two- and multi-particle correlation studies and validity of statistical theories 1,2,3 Studies with dissipative peripheral collisions and probes of the symmetry energy 3 Accessing the nuclear symmetry energy from fragment isotopic distributions 1,2,3 1. Medium mass systems (Atot ≈140) 78 Zn+64Ni, 94Kr +50Ti, 96Sr + 48Ca, 72Kr + 50Ti 2. Heavy mass systems (Atot ≈ 190) 114-145 Xe +40,48Ca, 122Cd + 58Ni, 90Kr + 90Zr E/A=5 – 10/15 MeV 3. Same mass, but ≠ Z 72,78 Kr + 28Si and 74,80Zn + 26Mg Day 1 experiment (coupling FAZIA with a spectrometer) Isospin dependence on reaction mechanisms : formation/decay of excited nuclei Kr +40,48Ca/12,13C, E= 5A to 10A MeV (competition between fusion and DIC) 80-94 Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire The EURISOL perspective... (2025?) Les 20 ans d'INDRA, GANIL le 15 Octobre 2013 Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire