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Theses Year : 2006

Role of isospin in nuclear-matter liquid-gas phase transition

Rôle de l'isospin dans la transition de phase liquide-gaz de la matière nucléaire

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Abstract

Nuclear matter presents a phase transition of the liquid-gas type. This well-known feature is due to the nuclear interaction profile (mean-range attractive, short-range repulsive). Symmetric-nuclear-matter thermodynamics is thus analogous to that of a Van der Waals fluid. The study shows up to be more complex in the case of asymmetric matter, composed of neutrons and protons in an arbitrary proportion. Isospin, which distinguishes both constituents, gives a measure of this proportion. Studying asymmetric matter, isospin is an additional degree of freedom, which means one more dimension to consider in the space of observables.
The nuclear liquid-gas transition is associated with the multi-fragmentation phenomenon observed in heavy-ion collisions, and to compact-star physics : the involved systems are neutron rich, so they are affected by the isospin degree of freedom.
The present work is a theoretical study of isospin effects which appear in the asymmetric-nuclear-matter liquid-gas phase transition. A mean-field approach is used, with a Skyrme nuclear effective interaction. We demonstrate the presence of a first-order phase transition for asymmetric matter, and study the isospin distillation phenomenon associated with this transition. The case of phase separation at thermodynamic equilibrium is compared to spinodal decomposition. Finite size effects are addressed, as well as the influence of the electron gas which is present in the astrophysical context.
La matière nucléaire présente une transition de phase du type liquide-gaz. Ce caractère bien connu est dû au profil de l'interaction nucléaire (attractive à moyenne portée et répulsive à courte portée). Ainsi, la thermodynamique de la matière nucléaire symétrique est analogue à celle d'un fluide de Van der Waals. L'étude se révèle plus complexe dans le cas de la matière asymétrique, composée de neutrons et protons en proportion arbitraire. L'isospin, qui distingue les deux constituants, donne une mesure de cette proportion. Dans l'étude de la matière asymétrique, il s'agit d'un degré de liberté supplémentaire, ajoutant une dimension à l'espace des observables à considérer.
La transition liquide-gaz nucléaire est associée au phénomène de multi-fragmentation observé dans les collisions d'ions lourds, ainsi qu'à la physique des étoiles compactes : les systèmes concernés sont riches en neutrons, donc affectés par le degré de liberté d'isospin.
Le travail présenté ici est une étude théorique des effets d'isospin apparaissant dans la transition liquide-gaz de la matière nucléaire asymétrique. Une approche de champ moyen est employée, avec une interaction nucléaire effective de type Skyrme. Nous démontrons la présence d'une transition du premier ordre pour la matière asymétrique, et étudions le phénomène de distillation d'isospin qui l'accompagne. Le cas d'une séparation de phase à l'équilibre thermodynamique est comparé à celui d'une décomposition spinodale. Les effets de taille finie sont abordés, ainsi que l'influence du gaz d'électrons présent dans le contexte astrophysique.
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tel-00110371 , version 1 (27-10-2006)

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Cite

C. Ducoin. Rôle de l'isospin dans la transition de phase liquide-gaz de la matière nucléaire. Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]. Université de Caen, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00110371⟩
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