Transiciones de fase en sistemas nucleares finitos e infinitos

• Autores: Giménez Molinelli, Pedro Agustín
• Año de publicación: 2014
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Dorso, Claudio Oscar
• Materia: COLISIONES DE IONES PESADOS; TERMODINAMICA EN SISTEMAS FINITOS; DINAMICA MOLECULAR; ASTROFISICA NUCLEAR; ECUACION DE ESTADO DE LA MATERIA NUCLEAR; HEAVY ION COLLISIONS; THERMODYNAMICS IN FINITE SYSTEMS; MOLECULAR DYNAMICS; NUCLEAR ASTROPHYSICS; NUCLEAR EQUATION OF STATE
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

En la presente tesis estudiamos transiciones de fase en sistemas formados por partículasque interactúan a través de potenciales clásicos que modelan las interacciones entrenucleones. Mediante técnicas de dinámica molecular, simulamos colisiones de Iones Pesadosen el rango de energías en el que se observa Multifragmentación. Auxiliados conavanzados algoritmos de reconocimiento de fragmentos, que utilizan información de correlacionesen el espacio de fases y no solo configuracional, investigamos el origen dediversas señales que permiten caracterizar el proceso de multifragmentación como unatransición de fase: bimodalidad en la distribución del parámetro de orden, y fluctuacionesen el tamaño del fragmento más pesado. Mostramos que esas señales están determinadasen etapas muy tempranas, antes de que el sistema logre alcanzar un equilibrioque justifique plenamente el uso de herramientas de la termodinámica usual. Asimismo,determinamos que la observación de bimodalidad está fuertemente relacionada conlos protocolos de selección de eventos. Investigamos además la factibilidad de utilizarel parámetro α de Isoscaling para determinar el término de simetría en la ecuación deestado, como se ha propuesto. Con ese fin, ajustamos las energías de “núcleos” con unafórmula en el espíritu de la “fórmula semi-empírica de masas” para dos parametrizacionesdel potencial nuclear y mostramos que presentan distintos términos de simetría. Y luego, a partir de simulaciones adecuadas, observamos que en general es imposibledistinguir los resultados de los dos modelos debido a efectos entrópicos. Con el mismomodelo de interacción nuclear y un tratamiento adecuado de la interacción de Coulomb,extendimos el estudio a transiciones de fase morfológicas en sistemas “infinitos” de nucleones,como un modelo de “materia de estrellas de neutrones”. Para ello realizamossimulaciones de dinámica molecular bajo condiciones periódicas de contorno a temperaturay densidad fijas. A densidades de sub-saturación y bajas temperaturas, como lasque ocurrirían en la corteza de las estrellas de neutrones, este modelo logra producir unaserie de fases in-homogéneas llamadas “Pasta Nuclear”, que surgen de la competenciaentre las interacciones Nuclear y Coulombiana para nucleones en “bulk”. Desarrollamosun conjunto de herramientas de caracterización dinámica y topológica que permiten unaclasificación unívoca de esas fases. Estudiando el rol de la interacción de Coulomb enla formación de estas estructuras, hallamos que estructuras similares pueden ser producidasen simulaciones incluso sin esa interacción, debido a efectos secundarios de lascondiciones periódicas de contorno que, sorprendentemente, no habían sido descritos enla literatura. Esto nos permitió describir con precisión los “efectos de tamaño finito”,propios de este tipo de simulaciones, e identificar las estructuras “reales” de aquellasque están afectadas por aspectos artificiales de las simulaciones.
In the present thesis we study phase transitions in systems of particles that interact throughclassical potentials which mimic the nuclear interaction. Using molecular dynamicstechniques we simulate Heavy Ion collisions in the energy range where multifragmentationis observed. Assisted with advanced fragment recognition algorithms, which useinformation from the whole phase space and not only configurational, we investigatedthe origin of several signals that allow to characterize multifragmentation as a phasetransition: bimodality in the order parameter distribution and large fluctuations in themass of the largest fragment. We show these signals to be established at early stages,before the system can reach an equilibrium which would justify the use of usual thermodynamicstools. Also, we determined that bimodality is strongly related to the eventselection criterion. In addition, we investigated the factibility of using the isoscaling parameterα to determine the value of the symmetry term in the nuclear equation of state. To that effect, we adjusted the energy of “nuclei” with a formula in the spirit of the “Semi-empirical Mass Formula” for two parametrizations of the nuclear potential andshowed that they present different symmetry terms. Then, with the appropriate simulations,we showed that it is in general impossible to distinguish the results from bothmodels due to entropic effects dominating. With the same model of nuclear interactionand an adequate treatment of the Coulomb interaction, we extended the study to morphologicalphase transitions in “infinite” systems of nucleons, as a model of “neutronstar matter”. To do so we performed molecular dynamics simulations under periodicboundary conditions at fixed temperature and density. At sub-saturation densities andlow temperatures, as those expected in the crust of neutron stars, this model is able toproduce a series of non-homogeneous phases known as “Nuclear Pasta”, which emergefrom the competition of nuclear and Coulomb interaction for nucleons in bulk. We developeda set of dynamical and topological characterization tools that allow for a thoroughclassification of those phases. When studying the role of the Coulomb interaction in theformation of these structures, we found that similar structures can be produced in simulationswithout said interaction but due to secondary effects of the periodic boundaryconditions which, surprisingly, had not been described in the literature. This enabled usto describe with precision the role of “finite size effects” and to identify the “true Pasta”from those affected by artificial aspects of the simulations.
Fil: Giménez Molinelli, Pedro Agustín. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.