Matière nucléaire (physique)

L'idéal théorique serait de pouvoir déduire l'équation d'état nucléaire de l'interaction nucléaire forte entre ses composants. Cet idéal est inatteignable, car

• d'une part, si l'interaction nucléon-nucléon libre (dans le vide) est expérimentalement connue, elle ne peut être formellement déduite de la théorie QCD sous-jacente. Des formes paramétrées ont été déduites pour reproduire au mieux les données expérimentales (par exemple, le potentiel de Paris[5]).
• d'autre part, l'interaction entre les nucléons dans la matière nucléaire - en particulier dense et chaude - ne peut se réduire à des interactions de paires ; il faut introduire les effets des nucléons voisins en raison du principe d'exclusion de Pauli. Les calculs théoriques (par exemple la théorie de Goldstone- Brückner)[6] donnent des aperçus sur la structure de la matière nucléaire, mais ne reproduisent que de manière approximative les données expérimentales, comme la densité et l'énergie de liaison de la matière dans son état fondamental[3]. Les modèles plus phénoménologiques utilisent des forces nucléon-nucléon effectives, qui incorporent au mieux les effets du milieu sur l'interaction entre paire de nucléons[7].

Pour étudier l'équation d'état nucléaire, de nombreuses forces effectives ont été utilisées (pour une revue voir la référence[8]). Parmi les plus populaires, les interactions effective, dites de Skyrme, font l'hypothèse que les interactions sont de contact (portée nulle), ce qui conduit à des expressions simples de l'équation d'état, qui dépend de 3 paramètres ${\displaystyle t_{0}}$, ${\displaystyle t_{3}}$, ${\displaystyle \gamma }$ :

${\displaystyle U(\rho )={\frac {3}{4}}t_{0}\rho +{\frac {2+\gamma }{16}}t_{3}\rho ^{1+\gamma }}$

Les paramètres sont ajustés pour retrouver la densité nucléaire ${\displaystyle \rho _{0}}$ et l'énergie de liaison par nucléon de 16 MeV dans l'état fondamental (point de saturation).

Ces modèles permettent de déduire des caractéristiques essentielles de la matière nucléaire autour du point de saturation[3] :

• La compressibilité de la matière nucléaire, caractéristique essentielle dans les collisions d'ions lourds ou les résonances géantes (pour une discussion détaillée voir la référence[9]).
• Une transition de phase de type liquide-gaz (qui correspond à la dissociation des systèmes de nucléons liés en "gaz" de nucléons).
• une zone d'instabilité à basse densité où la matière se dissocie en un ensemble de noyaux légers et de nucléons libres (instabilités spinodales)[10].

Loin du point de saturation, la matière n'est plus composée uniquement de nucléons ; de nouvelles phases apparaissent. La figure présente de manière qualitative les différentes phases attendues.

Représentation qualitative de l'équation d'état nucléaire et de ses différentes phases.

Autour du point de saturation, le principe de Pauli bloque les collisions entre les nucléons ; la matière nucléaire se comporte comme un liquide quantique superfluide. Aux plus faibles densités, on retrouve la zone de coexistence liquide (noyaux légers) - gaz (nucléons), calculable avec les forces effectives (voir supra). Lorsque l'énergie d'excitation (de) augmente, les fragments légers se dissocient en protons, neutrons et particules alpha.

Aux hautes énergies d'excitation, les seuils de création de particules nouvelles, comme les pions, sont franchis et dans des conditions plus extrêmes, la théorie prévoit la dissociation de toutes les particules composites en leurs constituants (plasma de quarks et de gluons).