Tipuri de tranzitii de faza in materia nucleara

Tipuri de tranzitii de faza in materia nucleara

Conceptul de materie nucleara a fost introdus de catre Brueckner, Bethe s.a [3‑5]. Se face ipoteza ca nucleul poate fi considerat ca un sistem infinit de nucleoni care interactioneaza prin schimb de pioni virtuali ‑ cunate de schimb ale interactiei tari. Acesata stare reprezinta materia nucleara in stare fundamentala. Este de remarcat faptul ca, datorita necesitatii de a se obtine rezultate finite in calculul marimilor care caracterizeaza sistemul, nu se iau in considerare efectele interactiilor coulombiene dintre nucleoni.

Una dintre marimile definitorii pentru caracterizarea starii sistemului este in acest caz densitatea materiei nucleare. În ipoteza unor nucleoni constituienti ai sistemului de forma sferica se poate estima valoarea acestei marimi. Valoarea acceptata in prezent pentru desitatea barionica a materiei nucleare in starea fundamentala este de 0.17 Fm^-3 [6].

Pentru calcularea unor marimi fizice definitorii pentru materia nucleara se fac si alte ipoteze simplificatoare, cum ar fi:

echivalenta tuturor pozitiilor nucleonilor,

folosirea functiilor de unda plane pentru descrierea starii nucleonilor s.a.

Ceea ce intereseaza in cadrul acestei parti a cursului este modul de comportare si feneomenele de interes care intervin atunci cand materia nucleara este adusa ‑ in urma unor procese de interactie ‑ la diferite densitati si temperaturi. Într‑o astfel de diagrama de faza (Fig.IV.13) se pot distinge mai multe faze posibile [6‑9].

Fig.IV.13. Diagrama de faza pentru tranzitii de faza in ciocniri nucleare relativiste

Ceea ce este interesant de subliniat este faptul ca se accepta aparitia simultana a doua tipuri majore de stari:

materie structurata;

comportari colective datorate absentei structurii.

Tranzitiile de faza care sunt posibil sa aiba loc in materia nuclera aflata in diferite conditii de temperatura si densitate sunt:

a. Tranzitia de faza lichid‑vapori (evaporarea nucleara) [10].

b. Tranzitia de faza la stari nucleare condensate (condensarea pionica, de exemplu) [11].

c. Tranzitia de faza la plasma hadronica. [12-15].

d. Tranzitia de faza la plasma de cuarci si gluoni [16‑18].

Este de subliniat faptul ca in cadrul tranzitiilor de tip c sunt incluse, in general, mai multe procese. Printre acestea se numara pionizarea si materia de rezonanta [8,9,19,20].

În cazul in care temperatura nu creste mult (T < 20 MeV) nu sunt indeplinite conditii pentru o hadronizare semnificativa in materia nucleara creata in regiunea de suprapunere a nucleelor care se ciocesc. Se presupune ca la aceste temperaturi (T < 20 MeV), in conditiile unor densitati sub densitatea materiei nucleare in starea fundamentala (densitatea nucleara normala), pot aparea comportari tipice pentru o materie in care interactii atractive de distanta lunga coexista cu interactii repulsive de distanta scurta. Acest tip de comportare caracterizeaza un gaz Van der Waals si de aceea se considera ca poate avea loc o tranzitie de faza lichid nuclear‑vapori. Valorile critice ale acestei tranzitii par sa fie urmatoarele: r_cr r_o , T_cr = 18 MeV [6,7,12,14]. Faza de lichid si cea de gaz pot coexista pentru o densitate determinata, atat timp cat temperatura este mai mica decat temperatura critica.

Conditii pentru realizarea unei astfel de faze pot sa apara in ciocniri nucleu‑nucleu la energii mari, in etapele finale ale ciocnirii, atunci cand interactiile dintre regiunea participanta si regiunea participanta inceteaza si are loc o racire adiabatica a sistemului format [6,7,12,14]. Pentru temperaturi mai mari decat temperatura critica separarea dintre cele doua faze nu mai exista si se poate observa o stare care este presupusa ca fiind o faza de fluid.

Din punct de vedere experimental observarea acestei tranzitii de faza ar putea fi legata de schimbari substantiale in distributiile de masa ale fragmentelor usoare si medii. De asemenea, urmarirea comportarii sistemului format dupa incetarea tuturor interactiilor dintre regiunea participanta si regiunea spectatoare ar putea sa permita obtinerea de informatii experimentale asupra acestei faze. Printre comportarile de interes se numara efectele dimensiunii finite a sistemului, scalele de timp si corelatiile din sistem [12,14,17-21].

Cea de a doua clasa de tranzitii de faza considerate este cea referitoare la aparitia unor izomeri de densitate in materia nucleara la densitati r (3‑5)r_o [11]. Ideea este veche de cincizeci de ani si apartine lui Feenberg si Primakoff  [22].

Crearea acestor izomeri de densitate poate fi legata de restaurarea simetriei chirale pentru starile anomale care pot apare la densitatile specificate datorita interactiilor in campuri mezonice scalare neliniare. În cazul restabilirii simetriei chirale nucleonii isi pierd masa, iar energia de legatura poate deveni extrem de mare; de aceea, energia de compresie atinge valori de sute de MeV/nucleon.

Un alt mecanism posibil, care poate determina valori foarte mari in energia de compresie, este cel de excitare colectiva a modurilor de spin‑izospin de frecventa zero in materia nucleara. Mecanismul poarta numele de condensare pionica, deoarece aceste moduri pastreaza numerele cuantice ale pionilor [11,23].

Existenta izomerilor de densitate poate fi studiata pornind si de la studiul materiei nucleare normale. În conditiile in care modelarea propusa reuseste sa descrie aceasta materie se pot introduce ipoteze suplimentare care sa ia in considerare aparitia starilor anoamle. Este important de aratat faptul ca unele stari anomale pot fi legate de introducerea rezonantelor D. Pe de o parte, introducerea acestor rezonante poate determina valorile foarte mari ale energiei de compresie, iar prin valoarea mare a constantei de cuplaj a acestui tip de rezonata starile specifice anomale pot fi ocupate de rezonate si nu de nucleoni. Pe de alta parte exista posibilitatea considerarii unui mecanism de introducere a rezonantelor D pentru densitati similare, dar temperaturi mai mari. În acest caz apare o forma noua de materie, numita materie de rezonanta  [8,9,19,20,24].

Introducerea diferitelor tipuri de rezonante, cu deosebire a celor cu moduri de dezintegrare mezonice, precum si deschiderea unor canale de interactie care sa conduca la aparitia unor fenomene de pionizare va determina ‑ pentru temperaturi mai mari de 50 MeV si densitati cuprinse intre 3 si 5 densitati nucleare normale ‑ aparitia unei faze bogate in nucleoni si pioni, in special, carora li se adauga alte tipuri de particule elementare, faza cunoscuta sub numele de plasma hadronica sau gaz hadronic [6,7,12‑17].

Aceasta stare implica foarte multe fenomene, iar descrierea lor corecta va permite realizarea de progrese importante in cunoasterea conditiilor pentru tranzitia la faza de plasma de cuarci si gluoni [6‑8,12,16‑18,25,26].

Trebuie aratat ca intre faza de plasma hadronica si faza de plasma de cuarci si gluoni pot sa apara ‑ in afara de materia de rezonanta ‑ diferite stari intermediare, cum ar fi: plasma de dibarioni si plasma de dicuarci [26‑28]. O alta stare de interes care ar putea sa faca extrem de dificila separarea dintre diferite faze ar putea fi cea legata de existenta unor picaturi de plasma de cuarci si gluoni in materia nucleara fierbinte si densa [29,30], asemanatoare cu cele din stele [30].

Un alt aspect important care trebuie sa fie luat in considerare in acest context este acela al similaritatii proceselor care au loc in ciocnirile nucleu‑nucleu la energii mari si foarte mari cu cele care au avut loc la formarea Universului, in timpul si dupa ce a avut loc "Marea Explozie Primordiala" ("Big Bang") [31,32]. Gasirea unor semnale experimentale de incredere asupra tranzitiilor de faza in ciocniri nucleare relativiste si ultrarelativiste va face posibila o mai completa si profunda cunoastere a proceselor care au avut loc la crearea Universului [33].