Les noyaux chauds formés lors de collisions d'ions lourds d'énergie élevée peuvent se fragmenter en plusieurs noyaux de tailles moyennes. Ce processus présenterait de fortes analogies avec une transition liquide-gaz. Plusieurs équipes de chercheurs en physique nucléaire, dont une équipe travaillant au Grand accélérateur national d'ions lourds¹ (Ganil), viennent de rapporter simultanément l'observation de capacités calorifiques négatives lors de cette multifragmentation, ce qui serait effectivement le signe d'une transition de phase.

Au cœur de l'atome, le noyau. Dans le noyau, une matière excessivement dense, la matière nucléaire constituée de protons et de neutrons. Les propriétés thermiques et mécaniques de cette matière sont encore mal connues : à très haute température ou densité, protons et neutrons libèrent leurs constituants ; à plus basse énergie et densité, protons et neutrons condensent en noyaux selon un processus qui s'apparente à une transition liquide-gaz.

Pour explorer ces différents états de la matière, les chercheurs provoquent des collisions violentes entre noyaux au cœur d'accélérateurs de particules : cela permet d'échauffer la matière nucléaire et de former des noyaux dits chauds. L'étude de ces noyaux a montré qu'ils peuvent, suivant l'énergie de la collision, se désexciter en émettant quelques particules (évaporation), se fragmenter en plusieurs noyaux de taille moyenne (multifragmentation) ou encore se décomposer totalement en neutrons et particules légères, des isotopes d'hydrogène et d'hélium (vaporisation).

L'étude expérimentale de ces collisions d'ions lourds nécessite des moyens très performants, capables de reconstituer l'histoire de chaque collision : tri des différents événements, détection et identification de toutes les particules sur un très large domaine en énergie cinétique (de 1 million à 4 milliards d'électronvolts), etc. Le multidétecteur Indra² du Ganil répond à de telles exigences : avec une précision jamais atteinte auparavant, il permet de remonter aux numéros et masses atomiques ainsi qu'aux énergies d'excitation des noyaux chauds produits. Il est aujourd'hui l'un des équipements les plus performants au monde pour l'étude de la matière nucléaire chaude.

Vue partielle d'une des six couronnes qui composent le détecteur 4 pi INDRA. © J.M. Enguerrend/GANIL

Les études effectuées au Ganil durant la deuxième moitié des années 1990 ont montré que le processus de multifragmentation de noyaux chauds présentait de nombreuses caractéristiques correspondant à ce qui est attendu d'une transition de phase liquide-gaz. Mais compte tenu de la complexité des mesures et des modélisations, des confirmations s'imposaient (voir encadré).

En ce qui concerne les systèmes nucléaires fragmentants, il a récemment été proposé de mesurer directement leur capacité calorifique en observant les fluctuations de leur agitation thermique. En effet, pour une énergie totale constante, l'agitation thermique est un réservoir d'énergie pour les interactions et inversement, ces échanges étant régis par les capacités calorifiques. Si le système a une capacité calorifique négative, il "hésite" entre liquide et gaz (entre non-fragmentation et fragmentation). En conséquence, l'énergie d'interaction étant beaucoup plus forte dans le liquide que dans le 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 seront donc plus grandes que celles attendues en l'absence de transition. La comparaison des fluctuations attendues à celles réellement observées permet alors d'en déduire la capacité calorifique du système.

Cette méthode vient d'être appliquée avec succès à plusieurs expériences de collisions d'ions lourds, effectuées auprès de différents accélérateurs, dans le cadre d'une procédure expérimentale bien définie dont chaque étape a été contrôlée de façon critique. Au Ganil, un des systèmes étudiés par le détecteur Indra était celui formé lors de collisions frontales entre un faisceau de xénon (à 32 millions d'électronvolts par nucléon) et une cible d'étain.

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 qui est en cours 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 aura été effectuée grâce aux noyaux chauds. Une fois maîtrisé, l'outil des fluctuations ouvrira la porte à une véritable métrologie de l'équation d'état et du diagramme de phases des noyaux. Il est important de souligner que des capacités calorifiques négatives semblent avoir été observées récemment (en 2001), dans le cas de la fusion d'agrégats de 147 atomes de sodium.

Pour en savoir plus :

Ph. Chomaz et F. Gulminelli. Nucl. Phys. A647 (1999) p. 153.

Capacité calorifique négative

Quand on chauffe un liquide, sa température augmente jusqu'au moment où l'ébullition commence. L'accroissement de température s'arrête alors et la température reste stable pendant toute la durée de l'ébullition, toute l'énergie fournie au liquide étant utilisée pour le transformer en vapeur. Une propriété déjà très étonnante si l'on y réfléchit. Et pourtant… Des développements théoriques récents suggèrent qu'au niveau élémentaire des très petits systèmes, cette anomalie apparaîtrait de façon encore plus étonnante : pendant le changement d'état, par exemple de liquide à gaz, le système refroidirait alors qu'on le chauffe ! Et la raison de cette bizarrerie serait fort simple. En effet, dès que l'on veut créer une bulle de gaz dans un liquide, ou une goutte de liquide dans un gaz, il faut payer le prix énergétique de l'interface, c'est-à-dire de la surface de la bulle ou de la goutte. Or, cela ne peut se faire qu'aux dépens de l'agitation thermique*, et donc de la température : la création d'une interface entre les deux phases ferait donc baisser la température. Quand le système est très grand, le coût de cette interface serait trop marginal pour faire baisser la température de façon significative. En revanche, quand le système est petit, comme une infime gouttelette ou un noyau atomique, la baisse pourrait être importante. Les physiciens caractérisent le comportement thermique d'un système par sa capacité calorifique qui est l'énergie qu'il faut lui fournir pour augmenter sa température d'un degré. La capacité calorifique d'un petit système deviendrait donc négative lors d'un changement d'état. * L'agitation thermique : au sein de toute matière, qu'elle soit solide, liquide ou gazeuse, les atomes ou les particules subatomiques sont animés d'un mouvement incessant dont l'énergie ne dépend que de la température. Plus celle-ci est élevée, plus l'agitation est importante, la température étant une sorte de traduction macroscopique de cette agitation microscopique.

Les divers changements de phase sont caractérisés par des paliers de température.

¹ Le Ganil est un laboratoire mixte CNRS/IN2P3-CEA/DSM.

² Indra : identification de noyaux et détection avec résolutions accrues.