Dynamique et Thermodynamique nucléaire

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
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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)
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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
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- 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
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Highlights from INDRA
(dynamics)
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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)
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Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire
Dynamical effects (1/2)
Fission
Aligned symmetric/asymetric fission for PLF
F. Bocage et al., NPA 676 (2000)
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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
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Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire
Dynamical effects (2/2)
Neck emission


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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)
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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*
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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
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Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire
Multifragmentation (2/2)
Radial flow systematics
Constraints for transport (dynamical) models
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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)
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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 ?
?
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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
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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
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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
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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
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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)
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Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire
The EURISOL perspective... (2025?)
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Olivier LOPEZ, Dynamique et Thermodynamique nucléaire
This is not
the end...
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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
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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