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Varia

Voir bouillir les noyaux atomiques avec INDRA

L’étude de la « multifragmentation » des noyaux, un défi pour les expérimentateurs
Seeing atom nuclei boil with INDRA
Bernard Borderie et Marie-France Rivet
p. 164-176

Résumés

En 1993 le multi-détecteur INDRA entrait en fonctionnement auprès du Grand accélérateur national d’ions lourds (Ganil) à Caen. Pendant une vingtaine d’années les physiciens utilisant cet outil d’exception allaient produire des avancées scientifiques dans le domaine des collisions noyau-noyau. La transition de phase des noyaux chauds, comparable au passage d’un fluide de l’état liquide à l’état gazeux, était un des sujets étudiés.

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Texte intégral

  • 1 GeV = milliard (giga) d’électron-Volts, MeV = million d’électron-Volts.

1Après l’intuition de Niels Bohr qui écrivait dans la revue Nature, en 1936, que déposer un GeV1 dans un noyau conduirait à son explosion, il faudra attendre les années 1980, en liaison avec les projets d’accélérateurs d’ions lourds dans ce domaine d’énergie, pour que les théoriciens nucléaires explorent de manière exhaustive ce processus qu’ils nomment « multifragmentation ». Ce phénomène se produit à partir de noyaux dits « chauds » parce qu’ils ont emmagasiné une grande énergie interne (appelée énergie d’excitation) au cours d’une collision (voir l’encadré 1 – La production des noyaux chauds). On dira qu’un tel noyau chaud multifragmente s’il se brise de façon simultanée en plusieurs noyaux plus légers, les fragments. La notion de simultanéité sera discutée plus loin.

La production des noyaux chauds

Les accélérateurs d’ions lourds, comme par exemple le Ganil (Grand accélérateur national d’ions lourds) installé à Caen, permettent de produire des noyaux chauds. Les projectiles sont des noyaux des éléments de la classification périodique allant typiquement du carbone à l’uranium. On parle en fait de faisceaux d’ions parce que les noyaux accélérés conservent une partie de leur cortège électronique. Pour produire des noyaux chauds les ions accélérés à des dizaines, voire des centaines de MeV par nucléon (ce qui correspond à des vitesses comprises entre le dixième et la moitié de la vitesse de la lumière), viennent heurter les noyaux atomiques d’une cible suffisamment mince pour ne ralentir que très faiblement les produits issus de la collision. Schématiquement deux types de mécanismes sont utilisés :

D’une part, des réactions de fusion, plus ou moins complète, des noyaux projectile et cible : elles correspondent aux collisions les plus violentes pour lesquelles un choc frontal a lieu. La section efficace de ce processus est faible et les noyaux chauds produits le sont sur un domaine réduit en énergie d’excitation.

D’autre part, des collisions plus douces, lors desquelles les noyaux projectile et cible vont se ralentir et se chauffer mutuellement. Ces dernières constituent le mécanisme dominant – on parle alors de collisions dissipatives (semi-périphériques) – et elles produisent des noyaux chauds sur une large gamme d’énergie d’excitation, fonction du volume de recouvrement des noyaux. Pour porter les noyaux produits par ce dernier mécanisme à une température similaire à celle atteinte dans les réactions de fusion, il faudra, bien évidemment, augmenter sensiblement l’énergie cinétique des noyaux projectiles. Pour des énergies incidentes encore plus élevées on parlera de collisions avec « spectateurs » projectile et cible.

La température des noyaux chauds est exprimée dans la même unité que l’énergie cinétique des noyaux projectiles, le MeV, simplement en multipliant la valeur en kelvins par la constante de Boltzmann, k =8,62x10-11 MeV /°K. Ainsi quand on chauffe des noyaux à une température de 5 MeV, cela correspond à 60 milliards de nos degrés.

Si les collisions d’ions lourds constituent l’outil privilégié pour produire des noyaux chauds, il convient ici de rappeler que la première observation de multifragmentation de noyaux chauds remonte aux années soixante avec des projectiles protons de très grande énergie, plusieurs GeV. D’autres collisions, du type antiproton-noyau et pion-noyau, ont ensuite aussi été utilisées, toujours dans le domaine des GeV. Avec les ions lourds les énergies incidentes les plus adaptées sont dans le domaine des énergies intermédiaires 20-100 MeV par nucléon, typiquement celui du Ganil, que l’on peut étendre jusqu’au GeV par nucléon pour les noyaux chauds produits dans les collisions avec « spectateurs » [13].

2L’idée de départ des travaux théoriques part du constat que la force nucléaire présente de fortes analogies avec la force de van der Waals qui s’exerce entre les molécules d’un liquide. Comme les fluides classiques, la matière nucléaire doit donc présenter une transition entre l’état liquide et l’état gazeux (appelée transition de phase de type liquide-gaz) et la multifragmentation serait la manifestation de cette transition, plus précisément celle de la zone de coexistence de la phase liquide avec la phase gazeuse. Mais sur Terre, en laboratoire, il n’est point question de matière nucléaire à l’état macroscopique mais de systèmes microscopiques, encore appelés « systèmes finis », les noyaux atomiques, comportant au plus quelques centaines de nucléons. Il faut donc revisiter les signaux de transition de phase en prenant en compte le caractère fini des systèmes étudiés, en particulier le rôle important joué par les surfaces de ces minuscules gouttelettes. Pendant vingt-cinq ans, un très grand nombre de travaux seront publiés avec, notamment, la proposition de nouveaux signaux de transition de phase à mettre à l’épreuve de l’expérience. Les développements théoriques sur les transitions de phase pour les systèmes finis dépassent bien évidemment le cadre de la physique nucléaire.

  • 2 Voir les références [3] et [6] de l’article « INDRA. Naissance d’un multi-détecteur en physique nuc (...)
  • 3 Nombre de détecteurs couvrant un angle solide donné.

3Pour les expérimentateurs la tâche est rude et, tout au long des années quatre-vingts, les dispositifs expérimentaux utilisés permettent surtout de comprendre comment produire les noyaux chauds (voir l’encadré 1), comment caractériser la multifragmentation ; les informations obtenues restent toutefois fragmentaires et qualitatives. Les dispositifs ont pourtant déjà beaucoup évolué par rapport aux années soixante-dix ; on peut en particulier mentionner l’ensemble « Mur-Tonneau-DELF-XYZt » auprès du Ganil à Caen ainsi que le multi-détecteur Amphora2 auprès de l’accélérateur Sara à Grenoble. Un constat se fait jour cependant : pour vraiment progresser, il faut se doter d’un outil de détection plus performant, conçu dès le départ pour couvrir tout l’espace autour de la cible. Il faut détecter et identifier les produits de réaction et mesurer leur énergie cinétique, pour espérer reconstituer, à travers des analyses cinématiques, l’histoire de chaque collision. Le nombre de produits finaux est grand, plusieurs dizaines, le numéro atomique (Z) et l’énergie cinétique des fragments sont très variables. Il faut donc augmenter la granularité3 de la détection afin de réduire la probabilité que deux fragments issus d’une collision atteignent le même module de détection, ce qui conduirait à une mesure erronée. Il faut abaisser les seuils de détection pour minimiser la perte de fragments en étant capable de mesurer des produits de réaction dont les énergies cinétiques s’étendent depuis 1 MeV jusqu’à plusieurs GeV. Ceci n’est possible qu’en associant des modules formés de détecteurs successifs : des détecteurs gazeux qui travaillent à basse pression (chambres d’ionisation), suivis de détecteurs semi-conducteurs minces (300 micromètres d’épaisseur) de silicium à très bonne résolution en énergie et enfin de cristaux minéraux scintillants d’éléments lourds (iodure de césium). Les premiers sont peu efficaces pour le ralentissement des particules légères mais peuvent stopper les fragments les plus lourds, alors que les derniers vont ralentir et même stopper les particules les plus légères et les plus énergétiques. Pour pouvoir gérer l’outil et enregistrer toute l’information obtenue il faut envisager une électronique dédiée et des contrôles et commandes entièrement informatisés.

  • 4 Le CAMAC (Computer Automated Measurement And Control) et le VXI (VME eXtensions for Instrumentation (...)

4Le nouveau multi-détecteur sera ainsi constitué de 336 modules de détection regroupés en 17 couronnes, avec une symétrie axiale autour de la trajectoire du faisceau. Il permettra de recueillir les produits émis dans 90 % de l’espace autour de la cible. Chaque module sera formé de deux ou trois détecteurs empilés (on dit montés en télescope). Le nombre total de détecteurs, 628 au début, est maintenant de 640. Les 96 chambres d’ionisation, qui seront construites à Saclay, représentent la prouesse technologique du projet ; les parois entre les cellules sont très minces, assurant la grande couverture spatiale (figure 1). Les détecteurs au silicium sont regroupés par deux, trois ou quatre sur une plaquette, minimisant les zones mortes entre eux (quelques micromètres entre deux détecteurs d’une plaquette, un ou deux millimètres entre deux plaquettes voisines). Les scintillateurs ont une longueur variant de 14 à 5 centimètres en allant de l’avant vers l’arrière du détecteur (suivant en cela l’énergie maximum décroissante des produits de réaction). Ces longueurs importantes exigent qu’ils soient profilés pour garder une couverture angulaire constante. Le choix sera fait de les coupler à des tubes photomultiplicateurs (PM) plutôt qu’à des photodiodes, afin de minimiser les seuils d’identification des isotopes d’hydrogène et d’hélium. Certains des PM seront développés spécialement pour INDRA par la société Photonics. Les 336 PM et les 288 préamplificateurs des détecteurs au silicium et des chambres d’ionisation sont localisés au plus près des détecteurs, donc sous vide. Le prix à payer est un important dégagement de chaleur, qui rend indispensable un refroidissement des structures support et l’utilisation d’embases de PM transistorisées développées à l’Institut de physique nucléaire d’Orsay. L’électronique, très intégrée, sera conçue en grande partie dans les laboratoires constructeurs selon les standards CAMAC, déjà très répandu, et VXI4, apparu dans les années 1985. Elle disposera de fonctionnalités étendues programmables et pilotables, introuvables, même aujourd’hui, chez les fabricants d’électronique. Seules les cartes d’alimentation en hautes tensions des détecteurs seront achetées. Quant à l’ensemble électronique de déclenchement, il intégrera la possibilité de choisir de nombreuses configurations (nombre de modules touchés simultanément, coïncidence entre quelques modules particuliers), notamment l’adjonction de détections couplées au multi-détecteur qui seront utilisées en 1997 et 2007.

  • 5 Voir l’article « INDRA. Naissance d’un multi-détecteur en physique nucléaire » et les références as (...)

5C’est en 1988 que les expérimentateurs se sont mis d’accord pour construire ce puissant outil de seconde génération5 pour l’étude de la multifragmentation des noyaux chauds : le multi-détecteur INDRA (Identification de noyaux et détection avec résolutions accrues) présenté sur la figure 2. La majorité des équipes françaises jusque-là concurrentes, et qui jouent un rôle de premier ordre sur la scène internationale (compte tenu des accélérateurs d’ions lourds successivement construits en France), se regroupe pour définir, sous l’égide du Ganil, ce que sera ce nouvel instrument. Outre le Ganil qui coordonnera le projet de construction, les différents laboratoires dont proviennent les équipes expérimentales - Département de physique nucléaire/basse énergie (Saclay), Institut de physique nucléaire d’Orsay et Laboratoire de physique corpusculaire de Caen - participeront à sa réalisation. La première campagne d’expériences aura lieu au printemps 1993 auprès du Ganil et des équipes de deux autres laboratoires, l’Institut de physique nucléaire de Lyon et Subatech Nantes, se joindront dès cette date à la « collaboration INDRA » naissante.

De nouvelles méthodes de travail

  • 6 Istituto Nazionale de Fisica Nucleare, équivalent italien de l’IN2P3
  • 7 Institutul de fizica si inginerie nucleara "Horia Hulubei".
  • 8 Instytut Fisyki Jadrowej Polskiej Akademii Nauk, Institut de physique de l’Académie des sciences po (...)

6Ce regroupement d’équipes, venant de différents laboratoires du CEA et de l’IN2P3, en une « collaboration INDRA » et la complexité du multi-détecteur ont imposé de définir, dès la mise en route d’INDRA, de nouvelles méthodes de travail, plus proches de celles utilisées en physique des particules. Sociologiquement ce ne fut pas simple, car la dizaine de quadragénaires, physiciens reconnus, qui dirigeaient les équipes ont dû apprendre à composer ensemble au jour le jour. Avec le recul, la plupart des physiciens de la collaboration reconnaissent que le gain réalisé par la mise en commun des connaissances et compétences de chacun leur a apporté un enrichissement qui compense largement les problèmes d’ego qui en résultaient. La composition de la collaboration a cependant évolué au cours des années, certains membres ayant changé de thématique, ou ayant pris leur retraite. Quelques doctorants sont devenus chercheurs ou enseignants-chercheurs et ont continué l’aventure INDRA. Forte au départ d’une cinquantaine de physiciens, dont une douzaine de doctorants et post-doctorants, la collaboration compte, en 2012, une vingtaine de physiciens permanents et deux ou trois étudiants et post-doctorants. S’il n’y a plus de physiciens du CEA ou de Subatech, la diversification s’est accrue par l’arrivée de collègues de l’INFN6-université de Naples, de l’IFIN7 de Bucarest, de l’université Laval de Québec et de l’IFJ-PAN8 de Cracovie.

7Le temps et les vérifications nécessaires à la mise en route et au réglage du multi-détecteur ont conduit à travailler en campagnes d’expériences de plusieurs semaines. Sept campagnes furent ainsi réalisées en 1993, 1994, 1997, 1998-1999, 2001, 2007 et 2011. Pour la quatrième, INDRA fut transporté au laboratoire Gesellchaft für Schwerionenforschung (GSI) à Darmstadt en Allemagne, afin de réaliser des expériences avec des projectiles de plus grande énergie. La sixième campagne imposa « seulement » de déplacer le multi-détecteur d’une salle du Ganil à une autre pour le coupler à un spectromètre – ce qui nécessita tout autant de travail.

  • 9 Système numérique basé sur une logique à 16 symboles (0-9 A-F). A vaut 10 dans notre système décima (...)

8Pour la première fois en physique nucléaire, toute l’électronique est située près de l’outil de détection, dans une salle inaccessible lorsque le faisceau d’ions y est présent. Le réglage des différents paramètres de l’électronique est donc piloté à distance, ce qui suscita, au début, quelque inquiétude chez les physiciens – « Ma commande est-elle bien prise en compte ? » - d’autant plus que, pendant la première campagne, ces commandes devaient être fournies dans un langage barbare, avec des valeurs exprimées en base hexadécimale9 ! Par la suite les physiciens développeront des interfaces graphiques qui rendront les réglages aisés et compréhensibles pour tous. Au cours d’une campagne, les physiciens se relaient 24h/24 et 7j/7. Pendant les premières d’entre elles les « postes » comprenaient quatre physiciens car, tout en surveillant attentivement le fonctionnement du détecteur (par exemple on vérifiait en ligne que l’on identifiait bien les noyaux produits, et plus prosaïquement que les tensions de polarisation n’avaient pas disjoncté), il fallait changer, tous les quarts d’heure – et dupliquer immédiatement – les bandes magnétiques qui enregistrent les données (voir l’encadré 2 - Le stockage de données pendant l’expérience ). Cette corvée a aujourd’hui disparu et deux personnes suffisent à assurer les postes … quand tout va bien. Toutes les données sont ensuite centralisées au Centre de calcul de l’IN2P3 à Lyon, d’où elles sont accessibles à toutes les équipes pour les traitements ultérieurs.

Le stockage des données pendant l’expérience

La contenance des bandes magnétiques utilisées en physique nucléaire jusqu’à la fin du XXe siècle n’était que de 140 mégaoctets ; cela permettait de stocker les résultats d’environ 200000 collisions détectées par INDRA. Ces supports évolueront par la suite en acceptant des volumes de données cent fois plus importants, tandis que les systèmes d’acquisition permettront de dupliquer les données en ligne. À l’heure actuelle on écrit directement sur des disques de grande contenance (celle-ci ne dépend que du serveur de disques et des éventuels quotas alloués par le laboratoire) ; on peut ainsi faire des pré-analyses en léger décalé ce qui permet un meilleur contrôle de l’expérience.

9Chaque expérience d’une campagne était proposée principalement par une équipe. Bien avant le démarrage d’INDRA les physiciens avaient compris qu’il était impossible que chaque équipe prenne les résultats de son expérience et s’en aille les traiter toute seule dans son laboratoire. Il fallait également mutualiser la phase de traitement des résultats bruts, (appelée aussi réduction des données ou dépouillement), discuter fréquemment tous ensemble de l’état d’avancement, des problèmes rencontrés … et pérenniser les méthodes adoptées – en les modernisant régulièrement. Ce mode de fonctionnement s’est avéré satisfaisant et il est encore en application aujourd’hui pour les campagnes récentes. C’est ensuite seulement que chacun reprend son indépendance, pour l’interprétation physique des résultats. La masse de données engrangée lors des diverses campagnes est telle que chaque équipe a pu choisir son créneau d’analyse – et qu’une cinquantaine de thèses ont été soutenues entre 1990 et 2011 au sein de la collaboration. Les physiciens sont cependant restés vigilants sur plusieurs points – qui n’ont jamais suscité de controverse. D’une part il n’y a jamais eu qu’un seul jeu de données expérimentales (voir l’encadré 3 – Des données mesurées aux grandeurs physiques) en exploitation. Si une réactualisation s’avérait nécessaire, toutes les analyses étaient donc reprises. Ainsi s’il y avait des divergences lors de l’interprétation des résultats, elles ne pouvaient provenir de différences dans les données expérimentales analysées. D’autre part, toutes les publications de la collaboration ont fait l’objet de discussions, souvent passionnées, lors de réunions de travail. Vers 1995 fut institué le comité de lecture. Son rôle est de veiller à ce que les remarques pertinentes de tous soient prises en compte dans les articles avant leur soumission aux revues scientifiques et à ce que l’analyse présentée soit replacée par rapport à l’ensemble des travaux de la collaboration. Ce comité est l’un des points forts de la collaboration INDRA qui, à ce jour, a publié environ quatre-vingts articles dans des revues internationales.

Des données mesurées aux grandeurs physiques

Une collision entre un noyau projectile et un noyau cible produit en général plusieurs noyaux plus petits qui sont éjectés hors de la cible puis arrêtés par des modules d’INDRA. Le dépôt d’énergie dans les différentes couches (détecteurs) d’un module est traduit en signaux électriques dont l’amplitude est numérisée et enregistrée (données brutes). La phase de « dépouillement » de l’expérience consiste à (re)convertir ces signaux en grandeurs physiques. Pour cela il faut calibrer tous les détecteurs qui composent INDRA. L’identification des noyaux se fait en portant la réponse d’un détecteur en fonction de celle du suivant : on voit apparaître des lignes qui regroupent les noyaux de même numéro atomique, voire en sus de même masse atomique pour les éléments légers (figure encadré 3). On utilise aussi une analyse de forme des signaux délivrés par les cristaux scintillateurs, qui permet de distinguer les isotopes depuis l’hydrogène jusqu’au bore. Calibration et identification permettent de déterminer, pour chaque noyau, l’énergie cinétique et le numéro atomique et, pour certains, la masse atomique. Les angles d’émission dans l’espace sont déduits de la position du module INDRA touché. Les données brutes sont ainsi converties en données expérimentales.

Réduire l’information pour mieux l’appréhender

10Après avoir converti les données acquises en ligne en grandeurs physiques (voir l’encadré 3), les physiciens peuvent se consacrer à la phase « interprétation ».

11Couvrant quasiment tout l’espace autour de la cible, un multi-détecteur peut en principe détecter tous les produits résultant d’une collision nucléaire. Il faut cependant nuancer cette affirmation : INDRA, comme la plupart de ses congénères, ne détecte pas les neutrons, mais seulement les produits de réaction chargés (numéro atomique, Z, au moins égal à 1). En outre la couverture spatiale n’est pas complète, il y a des zones mortes (passage du faisceau, du porte-cible, zones inter-détecteurs). Enfin, certains noyaux peuvent être détectés sans être identifiés ; c’est le cas de ceux qui sont arrêtés dans les chambres d’ionisation qui constituent la première couche de détection, pour lesquels on ne dispose que d’une information (encadré 3). Le détecteur est très efficace pour la détection des noyaux légers (des isotopes d’hydrogène aux noyaux de numéros atomiques voisins de 10), un peu moins pour les fragments plus lourds, qui peuvent avoir des vitesses trop faibles pour être identifiés.

12Du fait de ces limites, le multi-détecteur effectue de facto une sélection dans les types de collisions nucléaires qu’il détecte. Si on classe celles-ci en fonction de la violence du choc entre les deux noyaux incidents, on distingue :

  • Les collisions périphériques où le projectile effleure la cible en échangeant avec elle, au maximum, quelques nucléons, et est peu ralenti.

  • Quand la collision est plus violente, les réactions deviennent plus inélastiques ; les partenaires initiaux échangent davantage de nucléons, et une partie de l’énergie incidente est transformée en énergie d’excitation, produisant « des noyaux chauds ». À l’issue de la réaction, on retrouve encore deux gros fragments, résidus du projectile et de la cible (quasi-projectile et quasi-cible). La viscosité de la matière nucléaire induit, lors de la reséparation, la formation d’un système en forme d’haltère, dont la partie centrale peut se briser en petits fragments de vitesse intermédiaire entre celles des deux gros. Ces deux derniers, suivant leurs énergies d’excitation, se désexcitent par évaporation, fission, multifragmentation ou vaporisation.

  • Enfin, lorsque projectile et cible se heurtent franchement, on parle de collisions centrales. À faible énergie cela conduit à leur fusion, plus ou moins complète. Ce phénomène se raréfie quand l’énergie augmente, mais une faible proportion des réactions conduit à une multifragmentation de tout le système.

13INDRA est plus efficace pour les collisions assez violentes. En effet, pour les collisions périphériques, d’une part le quasi-projectile a une trajectoire presque rectiligne et est émis entre 0 et 2°, domaine non couvert. En outre la quasi-cible a une vitesse très faible, et n’est donc pas détectée, ou pas identifiée. Notons cependant qu’INDRA reste très efficace pour les collisions semi-périphériques si on accepte de ne « voir » que le quasi-projectile.

  • 10 L’impulsion, ou quantité de mouvement, est le produit M.V de la masse et de la vitesse du corps con (...)

14Un événement désigne l’ensemble des noyaux collectés lors d’une collision ; leur nombre peut dépasser 50, ce qui induit plus de 250 grandeurs physiques à analyser. Une première étape essentielle consiste à identifier les types de collisions ; pour ce faire, on va d’abord réduire l’information, négligeant les détails pour comprendre le paysage. À partir des grandeurs mesurées on construit des variables globales, qui ont une valeur unique pour chaque événement. Quelques exemples aisés à comprendre sont le nombre total (multiplicité) de noyaux de l’événement ; la somme de leurs numéros atomiques (inférieure ou égale à la somme de ceux du projectile et de la cible) ; la somme de leurs énergies cinétiques, celle de leurs impulsions10 enfin. Ces trois dernières grandeurs sont soumises à des lois de conservation qui aident les physiciens à juger de la représentativité d’un événement. La multiplicité augmente avec la violence de la collision. On peut aussi utiliser des variables qui signent la topologie de l’événement comme par exemple celle décrivant l’enveloppe des vecteurs-vitesse des noyaux émis. Schématiquement, la forme de l’enveloppe évolue d’un ellipsoïde très allongé à une sphère quand on passe des collisions périphériques aux collisions frontales. Le classement des événements se fait en les plaçant dans différents intervalles de valeur d’une variable globale. D’autres méthodes de classement font appel à des analyses multidimensionnelles importées de la sociologie. Elles regroupent des individus (événements) ayant des caractères (propriétés) communs, et gèrent les corrélations entre elles. Ces propriétés peuvent être des variables brutes (mesures directes) ou des variables globales. Un exemple est l’analyse en composantes principales (ACP) qui remplace les variables initiales par le même nombre de composantes calculées, combinaisons linéaires des précédentes. En général, deux composantes portent un pourcentage important de l’information de l’événement, et sont utilisées pour le classement. Cela évite de procéder à des coupures brutales sur une seule variable.

15Ainsi, pour chaque événement, on peut déterminer le type de collision qui s’est produit. Une fois ce classement effectué, les physiciens peuvent se concentrer sur une partie des événements collectés pour en réaliser l’analyse détaillée en exploitant toutes les grandeurs physiques mesurées. Le champ d’études réalisées à l’aide d’INDRA est très vaste. Une dizaine d’articles publiés concernent le détecteur et la physique de la détection. La dynamique des collisions, des plus périphériques aux centrales, représente une part importante des sujets étudiés ; cela recouvre les processus mis en jeu lors des collisions, qui dépendent des propriétés fondamentales de la matière nucléaire. Dans la suite, nous mettrons l’accent sur les résultats liés à la multifragmentation et à la thermodynamique des noyaux [1], qui représentent environ le tiers des publications de la collaboration. On peut ajouter que, plus récemment, les physiciens d’INDRA ont commencé à s’intéresser à l’influence du rapport neutron/proton des noyaux incidents sur la dynamique des collisions et la thermodynamique des noyaux. Ceci, en attendant les futurs accélérateurs de noyaux instables très exotiques en rapport neutron/proton prévus en France (SPIRAL2) et dans le monde dans les années à venir.

Multifragmentation et transition de phase : le cheminement des découvertes

16Si de nombreux travaux théoriques associaient la multifragmentation des noyaux chauds à une transition de phase liquide-gaz, quelle devait être la démarche expérimentale pour mettre en évidence cette transition avec un outil tel qu’INDRA ? Les études sur les réactions de fusion complète avaient montré, dans la période 1950-1975, comment produire des noyaux faiblement excités. Ces noyaux « tièdes » se désexcitent en émettant, de façon séquentielle, d’abord des particules : neutron, proton, particule alpha, puis quelques rayonnements gamma pour signer le retour à un niveau fondamental. On « évapore » ainsi des particules à partir d’un noyau, assimilable à une goutte liquide (voir l’encadré 4 - Le modèle de la goutte de liquide nucléaire) comme la découverte de la fission en 1939 l’avait déjà confirmé. Avant la mise en service d’INDRA, la phase liquide était donc identifiée comme étant le noyau atomique, ensemble de protons et neutrons liés par la force d’interaction forte. Avant d’étudier la transition de phase il fallait donc, dans un premier temps, montrer que l’on pouvait « vaporiser » les noyaux et caractériser, si possible, la phase gazeuse présente.

Le modèle de la goutte de liquide nucléaire

Le modèle de la goutte de liquide nucléaire fut initialement développé par George Gamow en 1928-1930 : il voyait le noyau comme une goutte liquide constituée de particules  en guise de molécules. Le modèle fut précisé par Ettore Majorana et Werner Heisenberg en 1932-33, après la découverte du neutron. En 1935 Carl von Weisäcker, élève de Heisenberg, se base sur ce modèle pour développer sa formule calculant le défaut de masse des noyaux, que Hans Bethe et Robert Bacher retravaillèrent et simplifièrent en 1937. Entre temps Niels Bohr (Nature 1936) avait utilisé un modèle de goutte liquide pour calculer l’énergie d’excitation d’un noyau composé. Enfin, en 1939, Lise Meitner et Otto Frisch, puis Niels Bohr et John Wheeler expliquèrent le phénomène de fission du noyau atomique dans le cadre du modèle de la goutte liquide.

  • 11 Toutes les particules de la nature ont un moment cinétique intrinsèque appelé le spin (exprimé en u (...)

17Le 25 février 1995, un entrefilet du journal Le Monde annonce la nouvelle : » Le seuil de vaporisation d’un noyau atomique chaud a été déterminé expérimentalement grâce au détecteur INDRA au Ganil ». Le phénomène de vaporisation a été observé dans des collisions entre noyaux projectiles d’argon et noyaux cibles de nickel qui se sont mutuellement chauffés pour se vaporiser sous forme de neutrons et de noyaux d’isotopes d’hydrogène (protons, deutons et tritons) et d’hélium (de masse atomique 3, 4 et 6). Le seuil de vaporisation, estimé à 90 milliards de degrés, a été mesuré avec des projectiles possédant une énergie cinétique de 52 MeV par nucléon. Une énergie incidente plus élevée (95 MeV par nucléon) a été nécessaire pour produire en plus grand nombre des noyaux qui se vaporisent, afin de permettre la caractérisation détaillée de cette phase gazeuse. Cette caractérisation a été réalisée via les noyaux issus de la vaporisation de l’argon : chaque noyau, allant du proton au noyau d’6He, est détecté, identifié et son énergie mesurée. En sommant les numéros atomiques de chaque produit on retrouve celui de l’argon. Les neutrons ne sont pas détectés par INDRA mais connaissant les masses atomiques du noyau projectile et des produits de vaporisation chargés, le nombre de neutrons émis lors de la vaporisation est déduit à partir d’un simple bilan de masse. L’expérience nous a ainsi appris de quelle manière un noyau se vaporise et quels sont les composants de la phase gazeuse. Pour caractériser l’état thermodynamique du gaz, les données ont été confrontées à un modèle statistique quantique. Le verdict tombe en 1996, la phase gazeuse créée par la vaporisation est un gaz de fermions11 et bosons en faible interaction (gaz de van der Waals) en équilibre thermique et chimique [2].

18Connaissant les deux phases, les physiciens sont prêts à s’attaquer aux signaux de transition de phase liquide-gaz pour les systèmes finis que sont les noyaux atomiques.

19À des énergies d’excitation intermédiaires entre celles qui conduisent aux processus d’évaporation et de vaporisation les noyaux chauds multifragmentent.

20En 1996, lorsque commencent les premières analyses des données recueillies par INDRA, que sait-on déjà de la multifragmentation ? Au cours de ce mécanisme de désexcitation, outre la production de neutrons et de noyaux d’hydrogène et d’hélium, on observe la formation de plusieurs noyaux d’éléments plus lourds, que l’on nomme fragments par opposition aux produits plus légers qualifiés de particules. Les noyaux qui multifragmentent semblent bien correspondre au mélange de phases attendu dans le domaine de transition : schématiquement les fragments sont ce qui reste du liquide tandis que les particules constituent le gaz. Le seuil d’apparition de la multifragmentation se situe à une énergie d’excitation E* d’environ 3 MeV par nucléon. Le maximum de la production de fragments est observé pour une valeur de E* voisine de l’énergie de liaison des noyaux, c’est-à-dire 8 MeV par nucléon. À plus haute énergie d’excitation, il a été montré que la vaporisation entre, de façon significative, en compétition avec la multifragmentation et contribue à réduire de plus en plus la production de fragments. La multifragmentation est un processus de désexcitation simultanée contrairement à l’évaporation qui est une émission séquentielle. Ceci a pu être déterminé à partir de mesures de vitesse relative entre fragments pris deux à deux qui permettent d’accéder au temps moyen d’émission entre fragments. Dans le domaine d’énergie d’excitation 4-8 MeV par nucléon ce temps moyen se réduit à 2-3 10-22 seconde (limite de la méthode de mesure) tandis que les temps moyens entre deux émissions dans le domaine d’évaporation s’étalent de 10-17 à 10-21 seconde. Ces phénomènes correspondent exactement à ce qui est attendu d’une transition de phase de type liquide-gaz. De plus, le bon accord obtenu lors d’une confrontation directe de certains résultats expérimentaux avec les prédictions des modèles statistiques de multifragmentation conforte cette interprétation. Toutefois la problématique est suffisamment complexe pour que les recherches ne s’arrêtent pas là.

21La grande force d’INDRA, par rapport aux dispositifs concurrents au niveau international, c’est la parfaite identification de tous les produits chargés de multifragmentation, des plus légers aux plus lourds ; il faut exploiter à fond cet avantage et chercher des signaux plus directs prédits par les théoriciens, en particulier ceux qui doivent apparaître pour les petits systèmes (voir l’encadré 5 - Petits systèmes et signaux spécifiques de transition de phase).

Petits systèmes et signaux spécifiques de transition de phase

Les méthodes de la physique statistique permettent d’établir un pont entre une description microscopique de la matière et la description thermodynamique macroscopique. Elles sont très appropriées pour décrire les transitions de phase. Cependant, si l’on s’éloigne des systèmes à très grands nombres de constituants, que l’on assimile à des systèmes infinis (limite thermodynamique), la physique statistique doit être reconsidérée de façon plus générale et les effets de surface ne peuvent plus être négligés. Si l’on crée une bulle dans un grand volume d’eau, la tension ou énergie de surface est négligeable devant l’énergie totale du système ; cela n’est plus vrai dans des systèmes à faibles nombres de constituants comme les noyaux atomiques. Nous sommes en présence de systèmes qui mettent en jeu des surfaces qui fluctuent en taille, en forme et positions relatives. La conservation de l’énergie fait que les fluctuations de l’énergie de surface induisent des fluctuations de l’énergie cinétique des constituants (agitation thermique) ainsi que de la composition des phases qui coexistent ; d’un noyau qui multifragmente à un autre, les définitions du gaz et du liquide pourront donc varier légèrement.

L’entropie S, comme l’énergie interne d’un système, est une grandeur additive (on dit aussi extensive) à la limite thermodynamique et est liée au désordre du système. L’entropie associée à une variable extensive X, S(X), d’un système isolé ne peut qu’augmenter. Celle d’un système uniforme présente dans la zone instable (spinodale) de transition une forme convexe comme indiqué sur la figure encadré 5. À la limite thermodynamique, la maximisation de l’entropie rétablit l’équilibre qui, en raison de l’additivité, conduit le système à se subdiviser en deux sous-systèmes : les deux phases. Les variables extensives associées à chacune des phases prennent les valeurs X1 et X2. C’est la construction de Maxwell (ligne en tirets sur la figure encadré 5. Pour les petits systèmes la prise en compte des énergies de surface a une conséquence très importante : l’entropie n’est plus la somme des entropies des deux phases. L’entropie augmente pour atteindre l’équilibre des phases mais sa forme reste convexe sous la ligne de la construction de Maxwell.

Cette convexité à l’équilibre génère deux signatures spécifiques. La capacité thermique massique microcanonique est négative : la température diminue lorsque l’on chauffe le système à cause de l’énergie qui est consacrée à créer des surfaces. Tout paramètre d’ordre de la transition présente une distribution bimodale dans l’ensemble canonique. De nombreux travaux théoriques sur le sujet ont été publiés dans la période 1997-2004 [14,15].

22La première décennie du XXIe siècle pourra ainsi apporter son lot de nouveaux résultats. Les physiciens qui utilisent INDRA vont tenter de répondre aux questions suivantes :

  • Quelle est la dynamique de la transition de phase des noyaux chauds ? La thermodynamique des transitions de phase donne des informations sur les conditions d’existence des phases (en fonction de la pression, de la température, des concentrations des constituants) et non sur le mécanisme de la transformation que subit la matière et sur le temps nécessaire pour passer d’une phase à l’autre. Pour les noyaux chauds, la description de la dynamique de la transition passe donc par la connaissance du mécanisme de production des fragments et des temps associés.

  • Peut-on trouver un paramètre d’ordre pour cette transition ? Un paramètre d’ordre est une quantité qui caractérise l’état d’un système physique au cours d’une transition de phase. Pour la transition liquide-gaz, par exemple, le paramètre d’ordre est égal à la différence entre la densité du liquide et celle du gaz alors que c’est l’aimantation pour la transition ferromagnétique-paramagnétique.

  • Observe-t-on une capacité thermique massique (anciennement appelée chaleur massique ou chaleur spécifique) négative dans la zone de transition ? Pour la thermodynamique classique de notre monde macroscopique, cette capacité, qui correspond à l’énergie à apporter par échange thermique pour élever d’un degré kelvin la température de l’unité de masse d’une substance, est toujours positive. Observer une capacité négative pour les noyaux chauds, c’est voir diminuer la température du noyau qui multifragmente quand on le chauffe. Un tel effet est dû au fait que l’énergie apportée par chauffage n’est pas utilisée pour augmenter l’agitation thermique mais pour créer des surfaces. Une étoile comme le soleil possède aussi une capacité thermique négative en raison de l’attraction gravitationnelle entre ses constituants et c’est la raison pour laquelle elle assure un rayonnement stable et permanent [4].

  • Observe-t-on une distribution bimodale (distribution à deux bosses) pour un paramètre d’ordre ? Cette possible observation n’a pas son équivalent en thermodynamique classique car elle est liée au fait que des grandeurs extensives comme l’énergie ou l’entropie ne sont plus additives (voir l’encadré 5). La bimodalité correspond physiquement à la présence simultanée de deux classes d’événements qui, si le système était à la limite thermodynamique, pourrait être interprété comme la coexistence des phases liquide et gazeuse.

  • 12 La matière nucléaire correspond à un concept théorique macroscopique sans effets coulombiens ni eff (...)

23Mettre en évidence la dynamique de la transition est peut-être la chose la plus difficile. Lorsque commence cette recherche nous savons, d’après des résultats expérimentaux portant notamment sur l’énergie cinétique des fragments observés, que, dans les réactions violentes entre noyaux lourds, les noyaux chauds de fusion produits se sont fortement dilatés avant de multifragmenter. Un scenario possible proposé par des théoriciens [5] est le suivant : le système formé est entré dans une région de coexistence à basse densité, mécaniquement instable, la zone spinodale. Cette région possède en effet la propriété très singulière de répondre à une augmentation de pression par une diminution de densité. Ce phénomène de décomposition spinodale est bien connu pour les alliages binaires solides ou liquides. Lorsque l’on pénètre cette zone et que l’on se trouve dans la région d’instabilité thermodynamique mais que le mélange est encore homogène, celui-ci est le siège de fluctuations locales et spontanées de la concentration qui conduisent à un mélange en équilibre thermodynamique. Pour la matière nucléaire12, dans cette région, ce sont les fluctuations de densité qui croissent exponentiellement avec le temps et font multifragmenter le système si celui-ci reste un temps suffisamment long dans cette zone. Les zones de forte densité correspondent à la formation des fragments dont la taille est bien définie en raison de la prédominance d’un mouvement collectif de longueur d’onde donnée. Pour les noyaux, les choses sont beaucoup moins simples et l’on s’attend à un effet très atténué étudié, lui aussi, en détail au plan théorique [5]. Peu de noyaux qui multifragmentent peuvent espérer avoir gardé une trace des instabilités spinodales : la formation de fragments de même taille. Il faut chercher, dans ce cas, un « signal fossile ». Les résultats expérimentaux sont publiés dans la période 2001-2003 [6]. Le signal attendu est observé dans le bon domaine d’énergie d’excitation et, comme prévu, il est faible : au plus 1,3 % des noyaux multifragmentent en fragments de taille égale. Mais le niveau de confiance des résultats n’est pas suffisant. Comme toujours dans un pareil cas, cela suscite beaucoup de discussions et de controverses, y compris au sein de la collaboration INDRA. Il faudra profiter de nouvelles expériences avec plus de statistique pour revisiter ce signal. L’affaire est toujours en cours…

  • 13 Aujourd’hui le multi-détecteur Chimera installé auprès des accélérateurs des Laboratori Nazionali d (...)

24Les résultats concernant le paramètre d’ordre sont publiés à peu près en même temps (2001-2005). La théorie des fluctuations universelles, récemment élaborée [7], définit les propriétés que doit avoir la distribution d’un paramètre d’ordre. L’application de cette théorie aux données nous indique que la taille du plus gros fragment est un paramètre d’ordre tandis que la multiplicité de produits chargés émis par le noyau qui multifragmente ne l’est pas [8]. La taille du plus gros objet est aussi paramètre d’ordre pour une large classe de transitions procédant par agrégation de particules comme la percolation, la gélification ou la floculation. Seul INDRA permettait cette étude13.

25Pour la mesure de la capacité thermique massique microcanonique (voir l’encadré 6 – Les différents ensembles statistiques), une méthode est proposée en 1999 [9].

Les différents ensembles statistiques

La compréhension d’un système en termes de ses constituants microscopiques est un problème qui peut être traité par les méthodes de la physique statistique. Trois ensembles sont utilisés en physique statistique. L’ensemble grand-canonique qui permet de décrire les propriétés d’un système en équilibre avec un réservoir d’énergie et de particules. La température est fixée, alors que l’énergie totale et le nombre de particules fluctuent d’un événement à l’autre (mais leurs valeurs moyennes sont contraintes). Cet ensemble constitue une bonne approximation pour calculer des valeurs moyennes sur des lots d’événements, en particulier à très haute énergie d’excitation (événements de vaporisation). L’ensemble canonique diffère du précédent en décrivant un système pour lequel le nombre de particules est fixé. Seule l’énergie totale peut fluctuer. Comme le précédent, cet ensemble convient bien pour des analyses en termes de variable intensive comme la température. Enfin l’ensemble microcanonique décrit un système totalement isolé (énergie et masse fixées). Il semble donc, a priori, le plus pertinent pour décrire un ensemble de collisions nucléaires sur la base d’une étude événement par événement. La température n’est pas un concept naturel dans cet ensemble mais on peut cependant définir une température microcanonique égale à la dérivée de l’énergie par rapport à l’entropie.

26L’idée est la suivante : les capacités massiques, dérivées secondes des potentiels thermodynamiques, sont directement reliées aux fluctuations d’énergie. Cette propriété est bien connue dans l’ensemble canonique pour lequel l’énergie fluctue. Dans l’ensemble microcanonique qui décrit un système isolé dont l’énergie est fixée, c’est le cas de nos noyaux chauds, des fluctuations seront observées si l’on décompose l’énergie en deux parties indépendantes. Décrire la méthode serait trop compliqué. Disons seulement qu’il faut disposer de lots de noyaux chauds bien identifiés et d’énergies d’excitation fixées, dont on connaît très bien la quasi-totalité des produits de multifragmentation. Là encore INDRA est très bien placé avec ses données mais une équipe italienne qui a fait des expériences au cyclotron cryogénique de Michigan State University en couplant deux dispositifs possède aussi un très bon jeu de données pour des noyaux chauds de numéro atomique voisin de 70 issus de projectiles d’or. Cette équipe publie en 2000 la première observation de capacité thermique massique négative [10]. Quelques mois plus tard, les données d’INDRA obtenues sur des noyaux chauds de fusion de numéros atomiques voisins de 80 confirmeront cette observation. La méthode d’extraction du signal étant compliquée, les résultats susciteront beaucoup de discussions lors des conférences.

27L’observation de la bimodalité d’un paramètre d’ordre se fera attendre. Il y a plusieurs raisons à cela. Tout d’abord, pour pouvoir faire l’étude, il faut disposer d’un lot uniforme de noyaux chauds couvrant un domaine en énergie d’excitation plus étendu que celui de la transition, l’idéal étant typiquement 1-10 MeV par nucléon. Dans ce cas, seuls des noyaux lourds quasi-projectiles peuvent être utilisés en partant d’énergies incidentes suffisamment élevées, plus élevées que celles du Ganil. INDRA avait été transporté, en 1998, au laboratoire GSI à Darmstadt pour disposer, en particulier avec l’accélérateur SIS, de faisceaux d’énergies incidentes complémentaires pour les noyaux lourds (50-250 MeV par nucléon). Ce sont des données de cette campagne de mesures qui seront utilisées : les collisions entre noyaux d’or aux énergies incidentes de 60, 80 et 100 MeV par nucléon. En 2006, des premières informations sont publiées qui vont dans le sens du signal attendu mais des critiques et des explications alternatives à une transition de phase voient le jour. Il faut encore apporter des améliorations sur la sélection des noyaux chauds qui, à ces énergies de faisceau, peuvent être pollués par de la matière émise entre les noyaux issus du projectile et de la cible. De plus, pour pouvoir obtenir des informations quantitatives, les données doivent correspondre à un cadre canonique (voir l’encadré 6), ce qui n’est, bien évidemment, pas le cas. Les données doivent donc subir un traitement ; une méthodologie sera proposée en 2007 [11]. C’est en 2009 que l’observation de la bimodalité de la distribution en taille du plus gros fragment pour des noyaux de numéros atomiques voisins de 70, indépendante du mode de sélection des noyaux chauds, sera publiée [12] (figure 6) ainsi que la première mesure de la chaleur latente de la transition : 8.1 ± 0.4 (+1.2 -0.9) MeV ; la première erreur est statistique, les secondes systématiques.

28Si certains des résultats présentés ci-dessus sont maintenant bien établis (capacité thermique massique négative) et déjà dans des manuels scientifiques (vaporisation, paramètre d’ordre), d’autres subissent encore le questionnement méthodique qui fonde la recherche scientifique (dynamique de la transition, bimodalité d’un paramètre d’ordre).

Un instrument et des données installés dans la durée

29INDRA est en fonctionnement depuis une vingtaine d’années On peut dire que ce fut un bon investissement du CEA et de l’IN2P3 : outre les sept campagnes INDRA, le multi-détecteur fut utilisé lors d’une expérience de structure nucléaire, pour des mesures de temps de vie de noyaux super-lourds (Z≥120) ainsi que pour des réactions de fusion à basse énergie. Durant cette période, l’entretien courant, et attendu, s’est borné à changer les détecteurs au silicium, qui souffrent de dommages dus au passage d’ions très lourds, et à changer les feuilles de mylar qui confinent le gaz dans les chambres d’ionisation, fragilisées par les mises sous vide et à l’air successives. C’est en fait le vieillissement des composants électroniques qui va déterminer la durée de vie du multi-détecteur.

30Au cours des sept campagnes réalisées, des collisions entre 54 couples projectile-cible, avec un nombre d’énergies de bombardement compris entre un et sept par système ont été collectées. Les projectiles utilisés allaient du carbone à l’uranium. Cet ensemble constitue une base, unique au monde, de données parfaitement cohérentes (si l’on excepte les légers biais introduits par la cinématique propre à chaque système). La pérennité en fut assurée par transfert d’un support de stockage à un autre, suivant l’évolution du Centre de calcul de l’IN2P3. Toute nouvelle idée d’analyse peut ainsi être testée sur tous les systèmes disponibles.

31Le logiciel commun de lecture de ces données, d’abord écrit en Fortran, est, depuis 2005, une surcouche du logiciel ROOT du CERN, KaliVeda, développée par les jeunes physiciens de la collaboration. L’apprentissage du langage C++, avec sa philosophie orientée objet, a été un peu difficile pour les plus anciens, mais on peut dire qu’en 2013 tous les physiciens de la collaboration peuvent mener leurs analyses avec KaliVeda.

32Bien qu’INDRA demeure un multi-détecteur très performant, une de ses faiblesses est de ne fournir la masse atomique des noyaux que sur un faible domaine (A≤12). Un multi-détecteur européen de nouvelle génération, Fazia (Four π A and Z Identification Array), est en construction. Formé de télescopes « silicium-silicium-CsI », Fazia utilise, outre les mêmes techniques d’identification des noyaux qu’INDRA, une méthode basée sur la forme des signaux électriques issus des détecteurs au silicium. Grâce à une sélection extrêmement rigoureuse du matériau silicium et à l’utilisation d’une électronique entièrement numérisée, Fazia aura de meilleures performances qu’INDRA pour mesurer la masse atomique des noyaux. Le démonstrateur de Fazia, composé de 192 modules, sera, dans un premier temps, couplé à une grande partie d’INDRA pour les études de physique utilisant des noyaux exotiques. INDRA fête ses vingt ans de fonctionnement en 2013. Verra-t-il ses 25 ou 30 ans ?

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Bibliographie

[1] Pour des informations plus détaillées, on peut consulter l’article de revue « Nuclear multifragmentation and phase transition for hot nuclei », Borderie Bernard, Rivet Marie-France, Progress in Particle and Nuclear Physics, vol. 61, 2008, p. 551-601.

[2] Borderie Bernard et al., Physics Letters, vol. B 388, 1996, p. 224 et European Physical Journal A 6, 1999, p. 197.

[3] Bowman D. R. et al., Physical Review, vol. C 52, 1995, p. 818.

[4] Balian Roger, « Pourquoi le Soleil n’explose pas, ou les bienfaits d’une chaleur spécifique négative », Reflets phys., vol. 10, 2008, p. 14-15, DOI : http://dx.doi.org/10.1051/refdp/2008015.

[5] Chomaz P., Colonna M., Randrup J., Physics Report, vol. 389, 2004, p. 263.

[6] Borderie Bernard et al., Physical Review Letters, vol. 86, 2001, p. 3252 et Tabacaru G.et al., European Physical Journal A 18, 2003, p. 103.

[7] Botet R. et Ploszajczak M., « Universal fluctuations », World Scientific Lecture Notes in Physics, vol. 65, 2002.

[8] Frankland J. D. et al., Physical Review, vol. C 71, 2005, 034607. 

[9] Chomaz P. et al., Nuclear Physics, vol. A 647, 1999, p. 153 et Physical Review Letters, vol. 85, 2000, p. 3587.

[10] D’Agostino M. et al., Phys. Lett., vol. B 473, 2000, p. 219.

[11] Gulminelli F., Nuclear Physics, vol. A 791, 2007, p. 165.

[12] Bonnet E. et al., Physical Review Letters, vol. 103, 2009, 072701. 

[13] Bimbot René, « Ganil, les premières expériences », Histoire de la recherche contemporaine, tome 1 n° 2, 2012, p. 168.

[14]. Gross D. H. E, « Microcanonical thermodynamics », World Scientific Lecture Notes in Physics, vol. 66, 2001.

[15] Gulminelli F., « Phase coexistence in nuclei », Annales de physique, vol. 29, n° 6, 2004.

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Notes

1 GeV = milliard (giga) d’électron-Volts, MeV = million d’électron-Volts.

2 Voir les références [3] et [6] de l’article « INDRA. Naissance d’un multi-détecteur en physique nucléaire » paru dans ce numéro.

3 Nombre de détecteurs couvrant un angle solide donné.

4 Le CAMAC (Computer Automated Measurement And Control) et le VXI (VME eXtensions for Instrumentation) sont des standards de modules électroniques adressables informatiquement grâce à un bus situé au fond des châssis qui les hébergent. Le VME (VersaModule Eurocard bus) est un des ces bus informatiques standard.

5 Voir l’article « INDRA. Naissance d’un multi-détecteur en physique nucléaire » et les références associées.

6 Istituto Nazionale de Fisica Nucleare, équivalent italien de l’IN2P3

7 Institutul de fizica si inginerie nucleara "Horia Hulubei".

8 Instytut Fisyki Jadrowej Polskiej Akademii Nauk, Institut de physique de l’Académie des sciences polonaise.

9 Système numérique basé sur une logique à 16 symboles (0-9 A-F). A vaut 10 dans notre système décimal familier, F vaut 15, 10 vaut 16, FF vaut 255, 100 vaut 256 …

10 L’impulsion, ou quantité de mouvement, est le produit M.V de la masse et de la vitesse du corps considéré.

11 Toutes les particules de la nature ont un moment cinétique intrinsèque appelé le spin (exprimé en unités ћ) qui est soit entier soit demi-entier. Les fermions (comme l’électron) ont un spin demi-entier et ne peuvent se trouver dans le même état quantique ; ils obéissent à la statistique de Fermi-Dirac. Les bosons (comme le photon) ont un spin entier et peuvent se trouver dans le même état quantique ; ils obéissent à la statistique de Bose-Einstein.

12 La matière nucléaire correspond à un concept théorique macroscopique sans effets coulombiens ni effets de surfaces.

13 Aujourd’hui le multi-détecteur Chimera installé auprès des accélérateurs des Laboratori Nazionali del Sud à Catane (Italie) pourrait aussi mener ce type d’études.

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Pour citer cet article

Référence papier

Bernard Borderie et Marie-France Rivet, « Voir bouillir les noyaux atomiques avec INDRA », Histoire de la recherche contemporaine, Tome II - N°2 | 2013, 164-176.

Référence électronique

Bernard Borderie et Marie-France Rivet, « Voir bouillir les noyaux atomiques avec INDRA », Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome II - N°2 | 2013, mis en ligne le 15 décembre 2015, consulté le 22 juin 2017. URL : http://hrc.revues.org/335 ; DOI : 10.4000/hrc.335

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Auteurs

Bernard Borderie

Directeur de recherche émérite au CNRS à l’Institut de physique nucléaire d’Orsay

Marie-France Rivet

Directrice de recherche émérite au CNRS à l’Institut de physique nucléaire d’Orsay

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Droits d’auteur

© Comité pour l’histoire du CNRS

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