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Le mécanisme de l’explosion des noyaux révélé par l’analyse de ses débris - 23 Mai 2013

La compréhension de phénomènes physique complexes est grandement tributaire du choix des observables expérimentales analysées. C’est ce que démontre de manière éclatante le travail récemment publié dans la revue Physical Review Letters par la collaboration INDRA.

Dans ce travail, l’observable expérimentale est la taille du plus gros fragment émis lors de collisions très violentes d’ions lourds, notamment réalisées au GANIL. Une simple fonction, La compréhension de phénomènes complexes dépend grandement du choix des observables analysées. C’est ce que montre de manière éclatante un travail récemment publié dans la revue Physical Review Letters par la collaboration INDRA [1]. Dans ce travail, l’observable expérimentale est  la taille du plus gros fragment nucléaire émis lors de collisions très violentes d’ions lourds, et une simple fonction, la distribution de probabilité de cette observable, permet de comprendre en détails les liens entre processus de fragmentation et équation d’état de la matière nucléaire.
La collision frontale d’ions lourds à des énergies de l’ordre de quelques dizaines de méga-électron-volts par nucléon génère, dans toutes les directions, une multitude de "fragments" qui sont des noyaux atomiques de tailles et de compositions diverses, constitués des nucléons du projectile et de la cible. Ce processus, dit de « multifragmentation nucléaire », fait l’objet de nombreuses études depuis le début des années 80 car il devrait permettre d’observer le comportement de la matière nucléaire dans des conditions physiques très variées, en particulier en dehors des limites d’existence thermodynamique des noyaux (les densités étant trop faibles ou trop fortes, les températures trop élevées). Les propriétés de la matière nucléaire dans ces conditions extrêmes déterminent essentiellement la vitesse d’effondrement des étoiles massives en fin de vie (supernovae de type II) et la structure de la croûte externe des étoiles à neutrons qui en résultent [2].
Très tôt, théoriciens et expérimentateurs ont cherché à établir la nature du phénomène de multifragmentation : les noyaux se cassent-ils comme de vulgaires cailloux, ou bien se vaporisent-ils sous la chaleur de l'impact pour ensuite renaître, en refroidissant, sous la forme d'une multitude de gouttelettes de matière nucléaire ? C’est pour répondre à ce genre de questions que plusieurs expériences ont été réalisées, notamment au GANIL avec le multidétecteur de particules chargées INDRA – qui fête cette année son vingtième printemps [3] –. Nous avons ainsi eu accès au processus de multifragmentation pour un grand nombre d’expériences, sur une large gamme d’énergies et de masses des noyaux.
D'après John Frankland, physicien du GANIL, et membre de la collaboration INDRA, la réponse à ces questions a pu être établie sans ambiguïté grâce à une collaboration étroite entre expérimentateurs et théoriciens au cours des dix dernières années. Cette approche pluridisciplinaire, qui mélange physique nucléaire et physique statistique des phénomènes critiques, a permis de relier le processus de formation de fragments nucléaires au comportement des observables caractérisant le système, en particulier : la multiplicité (nombre de fragments) et la taille du fragment le plus gros. En scrutant alors les fluctuations de ces observables en fonction de l'énergie de bombardement pour différentes collisions, il apparaît que le plus gros fragment (et tous les autres) a généralement dû être formé par un processus d'agrégation, comme par exemple dans la condensation d'un gaz en gouttelettes de liquide [4].
L’étude récemment publiée dans Physical Review Letters va bien plus loin en montrant que la forme de la distribution de probabilité de la taille du plus gros fragment est rattachée au régime de formation des fragments avant leur émission. De plus, d'après des simulations numériques menées par les auteurs, il s'agirait d'une caractéristique commune aux systèmes critiques de petite taille, donc applicable dans des domaines de la physique qui se situent bien au-delà des confins de la seule physique nucléaire. En fait, quelles que soient les interactions à l’œuvre, le comportement des petits objets est bien plus versatile que celui des objets macroscopiques, et c’est grâce aux hésitations des petits résidus que l’on sait désormais comprendre les mécanismes internes de la fragmentation qui a eu lieu. Après la formule célèbre : « small is beautiful », peut-être pouvons-nous maintenant proposer : « small is useful  » !
 
 [1] « Nuclear multifragmentation time-scale and fluctuations of largest fragment size» : D. Gruyer et al. (INDRA collaboration), Physical Review Letters 110 (2013) 172701
[2] "Nuclear matter and its role in supernovae, neutron stars and compact object binary mergers", J.M. Lattimer and M. Prakash, Physics Reports 333-334 (2000) 121-146
[3] La première campagnes d'expériences réalisées avec INDRA a eu lieu au printemps 1993 au GANIL. Les données de cette campagne sont toujours d'actualité : elles figurent dans l'analyse présentée dans [1].
[4] "Universal fluctuations in heavy-ion collisions in the Fermi energy domain", R. Botet, M. Ploszajczak, et al., Phys. Rev. Lett. 86, 3514 (2001)