Phase coexistence in nuclei

Coexistence de phase dans les noyaux

LPC Caen (IN2P3-CNRS/Ensicaen et Université), 14050 Caen Cedex, France. Member of the Institut universitaire de France

Abstract

In this work the general theory of first order phase transitions in finite systems is discussed, with a special emphasis to the conceptual problems linked to a thermodynamic description for small, short-lived systems de-exciting in the vacuum as nuclear samples coming from heavy ion collisions. After a short review of the general theory of phase transitions in the framework of information theory, we will present the different possible extensions to the field of finite systems. The concept of negative heat capacity, developed in the early seventies in the context of self-gravitating systems, will be reinterpreted in the general framework of convexity anomalies of thermostatistical potentials. The connection with the distribution of the order parameter will lead us to a definition of first order phase transitions in finite systems based on topology anomalies of the event distribution in the space of observations. A careful study of the thermodynamic limit will provide a bridge with the standard theory of phase transitions and show that in a wide class of physical situations the different statistical ensembles are irreducibly inequivalent. In the second part of the paper we will apply the theoretical ideas developed in the first part to the possible observation of a liquid-to-gas-like phase transition in heavy ion collisions. The applicability of equilibrium concepts in a dynamical collisional process without boundary conditions will first be critically discussed. The observation of abnormally large partial energy fluctuations in carefully selected samples of collisions detected with the MULTICS-Miniball and INDRA array will then be reported as a strong evidence of a first order phase transition with negative heat capacity in the nuclear equation of state.

Résumé

- 
Ce papier présente une revue de la théorie générale des transitions de phase du premier ordre dans les petits systèmes, avec une attention particulière aux problèmes conceptuels liés à une description thermodynamique des systèmes ouverts, à petit nombre de degrés de liberté et courte durée de vie tels les systèmes nucléaires issus d'une collision d'ions lourds. Après une revue rapide de la théorie générale des transitions de phase dans le cadre de la théorie de l'information, nous discutons les différentes extensions au domaine des systèmes finis. Le concept d'une capacité calorifique négative, introduit dans les années 70 dans le contexte des systèmes autogravitants, est re-interprété dans le cadre plus général des anomalies de courbure de potentiels thermodynamiques généralisés. La connexion avec la distribution du paramètre d'ordre conduit alors à une définition des transitions de phase du premier ordre dans les systèmes finis, basée sur les anomalies topologiques de la distribution des événements dans l'espace des observations. Une étude détaillée de la limite thermodynamique fournit un pont avec la théorie standard des transitions de phase, et montre que dans une large classe de situations physiques les ensembles statistiques sont irréductiblement non équivalents. Dans la deuxième partie de cet ouvrage nous appliquons les idées théoriques développés dans la première partie à la possible observation d'une transition de phase du type liquide gaz dans les collisions d'ions lourds. La possibilité d'appliquer des concepts d'équilibre dans un processus dynamique collisionnel avec continuum non lié est discuté de façon critique. L'observation de fluctuations d'énergie partielle anormalement grandes dans des échantillons sélectionnées de collisions étudiées à l'aide de détecteurs MULTICS-Miniball et INDRA est reportée et interprétée comme une évidence expérimentale forte d'une transition de phase du premier ordre avec capacité calorifique négative dans l'équation d'état des noyaux.