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Scuola di Fisica Nucleare Raimondo Anni Secondo corso ransizioni di fase liquido-gas nei nuclei Maria Colonna LNS-INFN Catania Otranto, 29 Maggio-3 Giugno 2006 homaz,Colonna,Randrup Phys. Rep. 389(2004)263 aran,Colonna,Greco,DiToro Phys. Rep. 410(2005)335

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Scuola di Fisica Nucleare Raimondo Anni

Secondo corso

Transizioni di fase liquido-gas nei nuclei

Maria Colonna LNS-INFN Catania

Otranto, 29 Maggio-3 Giugno 2006

Chomaz,Colonna,Randrup Phys. Rep. 389(2004)263Baran,Colonna,Greco,DiToro Phys. Rep. 410(2005)335

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GasLiquid

Density

Big Bang T

empe

ratu

re

2020

0 M

eV Plasma

of Quarks and

Gluons Crab nebula July

5, 1054

Collisions

Heavy

Ion

1: nuclei 5?

Le Fasi della Materia Nucleare

Stelle1.5massa/sole

Neutron Stars

Ph. Chomaz

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Osservazione sperimentale: frammentazione nucleare,rivelazione di frammenti di massa intermedia (IMF)in collisioni fra ioni pesanti alle energie di Fermi(30-80 MeV/A)

Obiettivi: stabilire connessione con transizione di faseliquido-gas, determinare diagramma di fase di materianucleareTermodinamica della transizione di fase in sistemi finiti

studiare il meccanismo di frammentazione e individuareosservabili che vi siano legate per ottenere informazionisul comportamento a bassa densita’ delle forze nucleari.Ex: osservabili cinematiche, massa, N/Z degli IMF

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Transizioni di fase liquido-gas e segnali associati

Meccanismi di frammentazione Dinamica nucleare nella zona di co-esistenza Moti collettivi instabili, instabilita’ spinodale

Approcci dinamici per sistemi nucleari

Frammentazione in collisioni centrali e periferiche

Ruolo del grado di liberta’ di isospin

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Phase co-existence

X, extensive variables:Volume, Energy, N

λ, intensive variables: temperature, pressure,chemical potential

Entropy S

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Stability conditions

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Spinodal instabilities are directly connected to first-order phase transitions and phase co-existence:a good candidate as fragmentationmechanism

V

Maxwell construction

λ pressure, X volume

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F (free energy)

From the Van der Waals gas to

Nuclear Matter phase diagram

t0 < 0, t3 > 0

Mean-fieldapproximation

= ρ ρ < 0 instabilities

Canonical ensemble

F(ρ)

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Phase diagram for classical systems

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Two – component fluids ( neutrons and protons )

Y proton fraction = ρp/ρ

ρ ρμ= ρ( )

Mechanical inst.Chemical inst.

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In asymmetric matter phase co-existence happens between phases with different asymmetry: The iso-distillation effect, a new probe for theoccurrence of phase transitions

Phase co-existence in asymmetric matter

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Phase diagram in asymmetricmatter

Two-dimensional spinodal boundariesfor fixed values of the sound velocity

In asymmetric matter phase co-existence happens between phases with different asymmetry: The iso-distillation effect, a new probe for the occurrence of phase transitions

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Phase transition inasymmetric matter

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Phase transitions in finite systems

Probability P(X) for asystem in contact with a reservoir

Bimodality, negative specific heat

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Lattice-gas canonical ensemblefixed V

Isochore ensemble

Curvature anomalies and bimodality

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Hydrodynamical instabilities in classical fluids

Navier-Stokes equation Continuity equation

Linearization

= ρ ρ

Link between dynamics and thermodynamics !

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Collective motion in Fermi fluids

Derivation of fluid dynamics from a variational approach

Phase S is additive, Φ Slater determinant

-

E = energy density functional

δI (with respect to S) = 0

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For a given collective mode ν…

(μ = dE/dρ)

Ph.Chomaz et al., Phys. Rep. 389(2004)263V.Baran et al., Phys. Rep. 410(2005)335

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= ρ ρ

ρ ρμ= ρ( )

U(ρ) = dfpot/dρ mean-field potential

1 + F0 = N dμ/dρ

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ρA =

The nuclear matter case

Plane waves for Sν

Landau parameter F0

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Linearized transport equations: Vlasov

U(ρ) = dEpot/dρ mean-field potential , f(r,p,t) one-body distribution function

(μ = dE/dρ)

0

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Dispersion relation in nuclear matter

s= ω/kvF

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Growth time and dispersion relation

Instability diagram

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Two-component fluids

τ = 1 neutrons, -1 protonsρ’=ρn - ρp

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Dispersion relation

A new effect: Isospin distillation dρp/dρn >ρp/ρn The liquid phase is more symmetric (as seen in phase co-existence)

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Finite nuclei

Linearized Schroedinger equation (RPA)for dilute systems

α = density dilution

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Instabilities in nuclei

Collective modesYLM(θ,φ)

The role of charge asymmetry(neutron-rich systems)

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neutrons

protons

total

neutrons protons

Isospin distillation in nuclei

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Landau-Vlasov (BUU-BNV) equation

Boltzmann-Langevin(BL) equation

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Effect of instabilitieson trajectories

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Fluctuation correlations

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Linearization of BL equation

O-1 overlap matrix

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Development of fluctuations inpresence of instabilities

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Fragment formation in BL treatment

Growth of instabilities

Exponential increase

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Approximate BL treatment ---- BOB dynamics

Growth of instabilities(comparison BL-BOB)

(Brownian One Body, Stochastic Mean Field (SMF), …)

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Applications to nuclear fragmentation

Some examples of reactions

Xe + Sn , E/A = 30 - 50 MeV/A

Sn + Sn, 50 MeV/A

Au + Au 30 MeV/A

p + Au 1 GeV/A

Sn + Ni 35 MeV/A

E*/A ~ 5 MeV , T ~ 3-5 MeV

LBLMSUTexas A&MGANILGSILNS

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Some examples of trajectories as predicted bySemi-classical transport equations (BUU)

Is the spinodal region attained in nuclear collisions ?

La + Cu 55 AMeVLa + Al 55 AMeV

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Expansion and dissipation in TDHF simulations:both compression and heat are effective

Vlasov

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Expansion dynamics in presenceof fluctuations

Stochastic mean-fieldSMF (BL like) results

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Compression and expansion in Antisymmetrized-Molecular Dynamics simulations (AMD)

Thermal expansion in MD(classical) simulations

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Fragmentation studies

RPA predictions

SMF calculations

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Fragment reconstruction

Experimental observables :IMF multiplicity, charge distributions, Kinetic energies, IMF-IMF correlations …

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Confrontation with experimental data

Compilation of experimentaldata on radial flowOnset of nuclear explosionaround 5-7 MeV/u

From two-fragment correlation Function Fragment emission timeOnset of radial expansionIMF emission probability

p + Au

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Nuclear caloric curves and critical behaviour

J.Natowitz et al. Lattice-gas calculations

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Further evidences of multifragmentation as a process happening inside the co-existence zone

Kinetic energy fluctuations Negative specific heat

M.D’Agostino et al., NPA699(2002)795

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Comparison with the INDRA data:central reactions

Charge distribution

Largest fragment distribution

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Fragment kinetic energies :Comparison between calculations and data

Uncertainties ………Pre-equilibrium emissionExc.energy estimationImpact parameter Ground state …..

But typical shape wellreproduced !

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129Xe + 119Sn 50 AMeV

129Xe + 119Sn 32 AMeV

Event topology

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A more sophisticated analysis: IMF-IMF velocity correlations

Event topology:

Structure of fragments at freeze-out:

Uniform distribution orbubble-like shape ?

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Relics of spinodal instabilities:Events with equal-size fragmentsG.Tabacaru et al., EPJA18(2003)103

Fragment size correlations

For each event: <Z>, ΔZΔZ 0 Relics of equal size fragment partitions !

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In the outer part of the star,(stellar crust), densities aresimilar to nuclear case.Star modelized in terms of n,p,e,ν.

Evolution of the crust duringthe cooling process.

Spinodal decomposition in other fields

Ideal hadronic gas

Bag with quarks and nucleonsmixture

Onset of spinodal decomposition:development of characteristic patterns in ε (azimuthal multipolarity)

Influence on flow coefficients

QGP

Neutron stars

J.Randrup, PRL92(2004)122301