Phase transition and frustration in nuclear physics and astrophysics
Transition de phase et frustration en physique nucléaire et astrophysique
Résumé
The thermodynamics of nuclear matter which constitutes the crust of proto-neutron stars and neutrons stars is studied in this thesis. Obtaining information on the star matter thermodynamics will enhance the understanding of physical phenomena involved in the cooling of proto-neutron stars, and in the formation of type II supernovae. One of the main goals is to extract the star-matter phase diagram in order to determine if instabilities and/or critaical points are present. The work is divides into two parts : in the first one classical approaches are developed, while the second one presents a quantum approach. The classical approaches are based on the Ising model and one the renormalisation group. They give us qualitative information on the phenomenology of phase transitions for star matter, and allow a discussion on the properties of the phase diagram under the generic phenomenon of Coulomb frustration. The quantum approach is based on a fermionic molecular dynamics model that we have developed from the density functional formalism, and numerically implemented using Skyrme forces optimized on neutron rich nuclei and neutron matter. This thesis work shows some first applications to the study the thermodynamics of finite nuclear systems, as well as nuclear structure calculations for light nuclei. A new formalism based on the molecular dynamics model is sketched which will ultimately allow treating the numerical quantum problem for the infinite star matter.
Cette thèse se propose d'étudier la thermodynamique de la matière nucléaire qui constitue l'écorce des proto-étoiles et étoiles à neutrons. Une connaissance détaillée des propriétés thermodynamiques de la matière d'étoile est nécessaire afin d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques impliqués dans le refroidissement des proto-étoiles, et dans la formation de supernovae de type II. L'un des objectifs fondamentaux est d'extraire le diagramme des phase de la matière d'étoile afin de déterminer si celui-ci présente des instabilités et/ou des points critiques. Le travail présenté ici se divise en deux parties, une première portant sur des approches classiques, et une seconde sur une approche quantique. Les approches classiques sont basées sur le modèle d'Ising et le groupe de renormalisation. Elles vont nous permettre d'obtenir des informations qualitatives sur la phénoménologie des transitions de phase de la matière d'étoile, et de discuter l'influence de la frustration Coulombienne sur le diagramme des phases. L'approche quantique est basée sur un modèle de dynamique moléculaire fermionique que nous avons dérivé à partir du formalisme de la fonctionnelle de la densité, et implémenté numériquement avec des forces de Skyrme optimisée pour la matière riche en neutrons. Le travail de cette thèse montre des premières applications à l'étude thermodynamique de systèmes finis, et à des calculs de structure nucléaire pour des noyaux légers. Nous proposerons également une ébauche du formalisme qui permettra à terme de traiter numériquement le problème quantique de la matière infinie d'étoile à l'aide du modèle de dynamique moléculaire.