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Ver el documento (formato PDF)   Giménez Molinelli, Pedro A..  "Transiciones de fase en sistemas nucleares finitos e infinitos"  (2014-05-21)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
En la presente tesis estudiamos transiciones de fase en sistemas formados por partículas que interactúan a través de potenciales clásicos que modelan las interacciones entre nucleones. Mediante técnicas de dinámica molecular, simulamos colisiones de Iones Pesados en el rango de energías en el que se observa Multifragmentación. Auxiliados con avanzados algoritmos de reconocimiento de fragmentos, que utilizan información de correlaciones en el espacio de fases y no solo configuracional, investigamos el origen de diversas señales que permiten caracterizar el proceso de multifragmentación como una transición de fase: bimodalidad en la distribución del parámetro de orden, y fluctuaciones en el tamaño del fragmento más pesado. Mostramos que esas señales están determinadas en etapas muy tempranas, antes de que el sistema logre alcanzar un equilibrio que justifique plenamente el uso de herramientas de la termodinámica usual. Asimismo, determinamos que la observación de bimodalidad está fuertemente relacionada con los protocolos de selección de eventos. Investigamos además la factibilidad de utilizar el parámetro α de Isoscaling para determinar el término de simetría en la ecuación de estado, como se ha propuesto. Con ese fin, ajustamos las energías de “núcleos” con una fórmula en el espíritu de la “fórmula semi-empírica de masas” para dos parametrizaciones del potencial nuclear y mostramos que presentan distintos términos de simetría. Y luego, a partir de simulaciones adecuadas, observamos que en general es imposible distinguir los resultados de los dos modelos debido a efectos entrópicos. Con el mismo modelo 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 realizamos simulaciones de dinámica molecular bajo condiciones periódicas de contorno a temperatura y densidad fijas. A densidades de sub-saturación y bajas temperaturas, como las que ocurrirían en la corteza de las estrellas de neutrones, este modelo logra producir una serie de fases in-homogéneas llamadas “Pasta Nuclear”, que surgen de la competencia entre las interacciones Nuclear y Coulombiana para nucleones en “bulk”. Desarrollamos un conjunto de herramientas de caracterización dinámica y topológica que permiten una clasificación unívoca de esas fases. Estudiando el rol de la interacción de Coulomb en la formación de estas estructuras, hallamos que estructuras similares pueden ser producidas en simulaciones incluso sin esa interacción, debido a efectos secundarios de las condiciones periódicas de contorno que, sorprendentemente, no habían sido descritos en la literatura. Esto nos permitió describir con precisión los “efectos de tamaño finito”, propios de este tipo de simulaciones, e identificar las estructuras “reales” de aquellas que están afectadas por aspectos artificiales de las simulaciones.

Abstract:
In the present thesis we study phase transitions in systems of particles that interact through classical potentials which mimic the nuclear interaction. Using molecular dynamics techniques we simulate Heavy Ion collisions in the energy range where multifragmentation is observed. Assisted with advanced fragment recognition algorithms, which use information from the whole phase space and not only configurational, we investigated the origin of several signals that allow to characterize multifragmentation as a phase transition: bimodality in the order parameter distribution and large fluctuations in the mass 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 thermodynamics tools. Also, we determined that bimodality is strongly related to the event selection criterion. In addition, we investigated the factibility of using the isoscaling parameter α 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 and showed that they present different symmetry terms. Then, with the appropriate simulations, we showed that it is in general impossible to distinguish the results from both models due to entropic effects dominating. With the same model of nuclear interaction and an adequate treatment of the Coulomb interaction, we extended the study to morphological phase transitions in “infinite” systems of nucleons, as a model of “neutron star matter”. To do so we performed molecular dynamics simulations under periodic boundary conditions at fixed temperature and density. At sub-saturation densities and low temperatures, as those expected in the crust of neutron stars, this model is able to produce a series of non-homogeneous phases known as “Nuclear Pasta”, which emerge from the competition of nuclear and Coulomb interaction for nucleons in bulk. We developed a set of dynamical and topological characterization tools that allow for a thorough classification of those phases. When studying the role of the Coulomb interaction in the formation of these structures, we found that similar structures can be produced in simulations without said interaction but due to secondary effects of the periodic boundary conditions which, surprisingly, had not been described in the literature. This enabled us to describe with precision the role of “finite size effects” and to identify the “true Pasta” from those affected by artificial aspects of the simulations.

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Registro:
Título : Transiciones de fase en sistemas nucleares finitos e infinitos     =    Phase transitions in finite and infinite nuclear systems
Autor : Giménez Molinelli, Pedro A.
Director : Dorso, Claudio O.
Consejero : Solari, Hernán G.
Jurados : Calzetta, Esteban  ; Fernández Niello, Jorge  ; Pastorino, Claudio
Año : 2014-05-21
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Física
Grado obtenido : Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_5545_GimenezMolinelli
Idioma : Español
Area Temática : Física / Física Nuclear
Física / Física Experimental
Palabras claves : 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
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