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L'évolution des nombres magiques en fonction du nombre de neutrons est aujourd'hui un axe de recherche majeur en physique nucléaire. Cette évolution qui se traduit par des modifications profondes de la structure de ces noyaux exotiques, se manifeste expérimentalement par des changements rapides de collectivité et de forme. Dans cette thèse nous avons étudié les noyaux situés autour du 68Ni produits par collisions dites profondément inélastiques au GANIL. Les noyaux d'intérêts ont été sélectionnés et identifiés grâce au spectromètre VAMOS. Les rayonnements gamma permettant d'étudier leur structure ont été détectés par EXOGAM autour du point cible ainsi que par un dispositif spécifique installé au plan focal de VAMOS afin d'identifier les isomères pour une des deux expériences. Dans la première, nous avons observé un nouvel état isomère dans le 68Ni dont la configuration basée sur un état intrus proton nous renseigne sur les effets de couches Z=28 et N=40. De nouvelles transitions ont également été identifiées dans les noyaux de Co, Fe et Mn de masse impaire. Dans la seconde expérience, nous avons mesuré la durée de vie des premiers états excités des noyaux 63,65Co en utilisant une méthode utilisant l'effet Doppler. La mesure de ces temps de vie nous permet d'accéder aux probabilités de transitions électromagnétiques, donc à la collectivité. Des comparaisons avec différents modèles théoriques (modèle en couches et champs moyen) nous permettent d'aller plus loin dans l'interprétation et d'avoir des informations supplémentaires sur l'interaction entre les protons et les neutrons ainsi que sur l'évolution de la collectivité dans cette région de masse.

Le travail réalisé dans ce mémoire de thèse s'inscrit dans le cadre d'une expérience effectuée à l'institut Paul Scherrer (PSI) et dédiée à la mesure du moment dipolaire électrique du neutron (nEDM). Une sensibilité de 1027 e.cm est attendue à la fin 2013. La mesure est réalisée avec des neutrons ultra-froids (UCN) polarisés. Pour ce faire, de nouveaux systèmes de polarisation, de transport et d'inversion de spin ont été réalisés. Leur étude est présentée dans ce mémoire. Ils sont actuellement utilisés auprès de l'expérience. Grâce à des mesures de champs magnétiques effectuées sur le spectromètre, des simulations de champs réalisées avec les codes Radia et Maentouch, ainsi qu'à des simulations Monte-Carlo effectuées avec le code Geant4, l'efficacité du dispositif de polarisation a été calculée. L'efficacité mesurée en direct est de 88.5 0.3%, soit légèrement moins que la valeur attendue de 95%. Par ailleurs, la prise de données préliminaire effectuée en octobre 2011 a permis de déterminer certains des paramètres fondamentaux de l'expérience, tel les constantes de temps de remplissage, de stockage et de dépolarisation longitudinale du spectromètre. Ces paramètres sont encourageants pour la suite de l'expérience.

Ce travail de thèse se compose d'une partie théorique et d'une partie expérimentale. Nous combinons et utilisons les codes de transport de haute énergie LAHET, de basse énergie MCNP et le code d'activation CINDER. Nos calculs de validation des codes montrent que LAHET néglige la dissociation coulombienne du deutéron. En ajoutant cette contribution, nous obtenons un bon accord avec les données. Nous concluons également que LAHET reproduit bien la production d'isotopes si le modèle de fission ORNL est utilise pour des cibles avec z > 90. Le modèle de fission RAL donne des distributions isotopiques trop larges et ne reproduit pas les données en valeur absolue. Nous examinons différentes combinaisons de faisceaux (projectile, énergie), de cibles de spallation et de cœur de réacteur pour la production de neutrons, l'amplification d'énergie et la production de faisceau radioactif par fission. Nous montrons que les réactions (d, xn) pourraient apporter un certain nombre d'avantages importants, comparées aux réactions (p, xn). Nous concluons que l'utilisation de deutérons au lieu de protons devrait conduire a des intensités de faisceau primaire plus élevées, a un prix réduit du système et a moins de problèmes de radioprotection. Dans le projet SPIRAL Phase-II au GANIL, nous proposons la combinaison d(100 MeV)+Be→xn+U pour une production optimum de noyaux riches en neutron dans la région de masse 75≤A≤160. Cependant, la production de gaz de tritium dans la cible de conversion devrait être soigneusement étudiée. Nous prouvons également que l'utilisation des cibles de conversion de métal plus lourd peut poser des problèmes de radioprotection plus graves. Notre travail expérimental est directement relié aux investigations théoriques. Nous mesurons les distributions en énergie de protons produits par des deutérons de 100 et de 200 MeV sur 8 cibles minces (Be, C, Al, Ni, Nb, Ta, Pb et U) et dans la région angulaire 8° ≤ θp ≤ 120°. Les deux expériences ont été réalisées au LNS (Saclay, france) et au NAC (Faure, Afrique du Sud). Les données de bonne qualité (10% en valeur absolue et un seuil en énergie de 4-8 MeV) sont bien reproduites par le modèle LAHET amélioré pour les réactions (d, xp) et, par conséquent, pour les réaction (d, xn).

Les verres bioactifs permettent de combler les défauts osseux lors d'applications cliniques. Nous avons élaboré par sol-gel plusieurs verres bioactifs, parmi lesquels des verres dopés en Sr. La bioactivité des verres est avérée : au contact d'un milieu biologique, une couche Ca-P se forme rapidement en surface de nos matériaux. La caractérisation de l'interface verre/ milieu biologique par faisceau d'ions démontre que le verre binaire est le plus rapide en ce qui concerne la dissolution de la matrice et l'apparition de la couche Ca-P. Pour les verres contenant du P, ces phénomènes sont retardés, mais la couche Ca-P-Mg se développe vite en une couche apatitique. Pour les verres dopées en Sr, la couche Ca-P-Mg se forme sur une profondeur réduite. Néanmoins elle évolue plus vite en apatite. De plus la présence de Sr à l'interface verre/ liquide et dans le milieu biologique pourrait résulter, grâce aux effets bénéfiques du Sr sur l'activité cellulaire, en une bioactivité améliorée in vivo

La première partie présente l'analyse et le résultat de l'expérience VCS-SSA à MAMI (Mayence). Celle-ci a été réalisée avec un faisceau d'énergie 883 MeV et de polarisation longitudinale (∼80%), à un quadri-moment de transfert (Q2 =0.35 GeV2) pour mesurer l'asymétrie de spin de faisceau dans les réactions ep → epγ et ep → epπ°. L'asymétrie obtenue en électroproduction de photon (resp. pion) varie entre 0-15 % (resp. 0-2 %). Les modèles DR (Relations de Dispersion) pour la diffusion Compton virtuelle et MAID (π°) prédisent l'amplitude globale de l'asymétrie mais pas complètement sa forme. Ce désaccord s'explique peut-être par une paramétrisation imparfaite de certains multipôles de production de pion (γ(*)N → πN). La deuxième partie est dédiée à l'étude du spectre d'énergie du nucléon dans les états fondamental L = 0 et excité L = 1 dans le modèle de quarks, en utilisant le potentiel Coulombien + linéaire (CL) et une correction relativiste. Une correction hyperfine est appliquée pour séparer entre les masses des nucléons. Les masses trouvées pour le proton et le Δ(1232) sont respectivement égales à (968 MeV, 1168 MeV), et les masses des états excités (L = 1) varient entre 1564 − 1607 MeV. Enfin, le modèle CL est appliqué à un calcul approché des polarisabilités généralisées du proton.

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Il y a 75 ans, Ettore Majorana montrait que le neutrino, seule particule élémentaire de matière de charge électrique nulle, pouvait théoriquement être identique a son antiparticule. Si tel est le cas, alors un phénomène naturel nouveau devrait apparaître pour quelques rares isotopes : leur double désintégration beta sans émission de neutrino (0). La signature expérimentale de ce processus est simple : l'observation de deux électrons émis par le noyau dont la somme de leur énergie correspond a l'énergie de transition. Mais ce processus, s'il existe, est infiniment rare. La principale difficulté dans cette recherche est donc instrumentale : réussir à développer un détecteur ultra basse radioactivité, sans aucun bruit de fond. J'ai choisi comme première partie de mon HDR, d'écrire une revue expérimentale relativement détaillée des différents projets, mon souhait étant de montrer pour chaque expérience, ses avantages et limitations en mettant l'accent sur les techniques utilisées pour supprimer les bruits de fond. Ayant été très impliqué dans l'expérience NEMO-3, et travaillant maintenant dans le nouveau projet SuperNEMO, j'ai davantage détaillé ces deux expériences. J'ai également détaillé les projets de bolomètres scintillants. C'est en effet une technique que j'avais particulièrement étudiée ces dernières années car elle me semble être très prometteuse. Le dernier chapitre de cette première partie est un résumé permettant au lecteur qui le souhaite une revue plus rapide des différents projets actuels. Depuis 5 ans, je développe un détecteur basse radioactivité, appelé BiPo, dont l'objectif est de mesurer la radiopureté en 238U et 232Th des futures feuilles sources émettrices double beta qui seront installées dans le détecteur SuperNEMO. J'ai donc choisi comme deuxième partie de mon HDR, de présenter ce détecteur et de résumer les différents résultats obtenus.