Bien que découverte il y a 75 ans, la fission nucléaire fait toujours l'objet de recherches. En effet, la compréhension de ce phénomène présente encore des difficultés théoriques dues à sa complexité. Cela nécessite une bonne compréhension de la structure du noyau de l'atome ainsi qu'une description détaillée du mécanisme pilotant l'évolution du système fissionnant.Un nouveau modèle statistique, appelé SPY (Scission Point Yields), a été développé pour déterminer les caractéristiques des fragments (rendements de fission, énergie cinétique, énergie d¹excitation). Ce modèle est basé sur le modèle de Wilkins développé en 1976. Il consiste en une description statistique du processus de fission au point de scission où les fragments sont complètement définis. L'une des principales avancées du modèle SPY est l'introduction de la description microscopique de la structure nucléaire dans le calcul de l'énergie du système à la scission.Il permet d'étudier la relation entre les propriétés des fragments et leur structure nucléaire. Avec le modèle SPY, il est possible de calculer les propriétés des fragments et d'identifier les tendances globales pour environ 3000 noyaux fissionnants de Z=70 à Z=109, de la drip line neutron jusqu'à la drip line proton.Après une présentation générale de la version de référence du modèle SPY, les résultats obtenus pour la fission thermique de l'uranium 235 et la fission spontanée du californium 252 sont comparés aux données expérimentales. Une étude systématique sur l'ensemble des noyaux actuellement synthétisés est également menée avant d'étendre cette étude bien au-delà de la zone des noyaux synthétisables. Deux développements seront ensuite détaillés. Le premier concerne la manière de calculer l'énergie d'interaction coulombienne entre les deux fragments. Les distributions de charges issues de calculs microscopiques seront introduites afin d'améliorer le calcul de l'énergie d'interaction coulombienne. La possibilité de redéfinir le point de scission du système grâce à ces distributions de charge sera également discuté.Le deuxième développement porte sur le lien entre la modélisation du noyau et les observables associées aux fragments de fission. D'une part, différents modèles du noyau pour le calcul de l'énergie individuelle des fragments, tel que le modèle de la goutte liquide, seront envisagés et l'impact du choix de la modélisation du noyau sera étudiée.D'autre part, l'impact de la prise en compte de la structure nucléaire des fragments dans le calcul des densités d'états sur les observables sera étudié. / Although discovered 75 years ago, nuclear fission is still under investigation. Indeed, the understanding of this phenomenon still presents theoretical difficulties due to its complexity. This requires a good understanding of the structure of atomic nucleus and at the same time a detailed description of the mechanisms driving the evolution of a fissioning system.A new statistical scission point model named SPY (Scission Point Yields) is developped to model the fission mechanism and determine nascent fragments characteristics (yields, kinetic energy, excitation energy). This model is based on the Wilkins model developed in 1976. It consists in a statistical description of the fission process at the scission point where fragments are completely defined and well separated. One of the main advance brought by SPY model is the introduction of microscopic description of the nuclear structure in the calculation of the energy of the system at scission. Therefore, this model can be regarded as a theoretical laboratory for fission modeling since it allows to study the relationship between fission fragments properties and their nuclear structure.With SPY, we were able to calculate the properties of fragments and to identify global trends for about 3000 fissioning nuclei from Z=70 to Z=109 and from proton drip line to neutron drip line.After a general presentation of SPY model, results for thermal fission of uranium 235 and spontaneous fission of 252 californium are compared with experimental data. A systematic study over all currently synthesized nuclei is also done before extending this study beyond the synthesizable nuclei area. Finally the main developments of the model performed will be detailed.The first one is related to calcultation of the Coulomb interaction energy between the two fragments. The charge distributions from microscopic calculations are introduced to improve the calculation of the energy of Coulomb interaction. The ability to redefine the scission point of the system thanks to these distributions will also be discussed. The second development concerns the relationship between nucleus modeling and observables related to fission fragments. On the one hand, different models of the nucleus to calculate the individual energy of the fragments, such as liquid drop model, will be considered and the impact of the choice of the nucleus modeling will be studied. On the other hand, the impact of the inclusion of the nuclear structure of the fragments in the calculation of states densities on observable will be studied.

Title: Giant monopole resonances in deformed nuclei Author: Daniel Božík Department: Institute of particle and nuclear physics Supervisor: prof. RNDr. Jan Kvasil, DrSc., ÚČJF, MFF UK Abstract: The study of giant monopole resonances is important, because of its di- rect connection to the incompressibility of the nuclear matter, and its importance has risen with new experimental data obtained in recent years from the experi- ments TAMU and RCNP. The current work brings a study of the giant monopole resonances for chains of spherical (Pb, Sn, Zr) as well as deformed (Sm, Mo, Cd) isotopes. The calculations were carried out within the HFB + SRPA method, which was developed at MFF UK in cooperation with JINR Dubna and the University of Erlangen. We were as first able to confirm, from the microscopic theory, the appearance of a double-peak structure of GMR strength functions for deformed nuclei, and its connection with E0-E2 coupling. We showed the importance of using strength functions in the study of GMR. Keywords: HFB, SRPA, giant monopole resonances 1

Cette thèse présente trois aspects centrés autour de la QRPA (Quasiparticle Random Phase Approximation).Le premier consiste en l'utilisation d'un code à symétrie axiale pour confronter des données calculéesà des résultats expérimentaux, et pour alimenter un code microscopique de réactions. Cette étapeest l'occasion d'analyser la spectroscopie du noyau à basse énergie (quelques dizaines de MeV), etplus spécifiquement (mais pas uniquement) la chaîne isotopique de l'étain (Z=50). Le second facetterepose sur l'amélioration d'un formalisme de calcul des opérateurs de transitions éléctromagnétiquesmultipolaires, et d'une méthode de généralisation du calcul de ces opérateurs permettant de faciliterla programmation en uniformisant le code pour les différentes multipolarités. Finalement, afin dedépasser la contrainte de la symétrie axiale, un nouveau code de calcul en symétrie triaxiale a étédéveloppé. Ses caractéristiques et son développement sont présentés, suivis des premiers résultatsdus à son exploitation. / This thesis presents three aspects centered around the QRPA (Quasiparticle Random Phase Approximation).The first consists in the use of an axial code to confront computed data with experimental results andto feed a microscopic reaction code. This step is a chance to analyse low-energy spectroscopy (fewtens of MeV) of some nuclei, and more precisely (but not exclusively) the tin isotopic chain (Z=50).The second one relies on the improvement of the formalism to calculate multipolar electromagnetictransition operators, and a method to consolidate the computation of these operators, allowing toease the programming by unifying the code for different multipolarities. Finally, in order to overcomethe axial symmetry constraint, a new triaxial code has been developed. Its assets and developmentare presented, followed by the first batch of results.

Une extension de la surface de masses atomiques dans la région A ≈ 100 est présentée par l’intermédiaire des mesures de masse des isotopes 100-102Sr et 100-102Rb. Les mesures ont été effectuées avec le spectromètre de masse ISOLTRAP constitué de différents pièges à ions. Les premières mesures directes des masses des 100-102Sr et du 100-102Rb sont rapportées ici. Ces mesures confirment la continuité de la région de déformation nucléaire avec l’augmentation du nombre de neutrons jusqu’à N = 65.De sorte à interpréter la déformation dans la chaine isotopique du strontium et à déterminer si une déformation peut apparaitre pour des isotopes de krypton plus lourds, une comparaison est faite entre les données expérimentales et des résultats de calculs théoriques disponibles dans la littérature. Pour compléter ces comparaisons, des calculs Hartree-Fock-Bogoliubov pour des isotopes pairs et impairs sont aussi présentés, illustrant la compétition entre formes nucléaires dans la région.Le développement d’une source d’ions à ionisation par électro nébuliseur est présenté. Cette source peut produire un large panel de masses isobariques destinées à la calibration. La première mise en service de la source est présentée, incluant les résultats des premiers balayages en masse détectés derrière le spectromètre de masse quadripolaire. Une résolution de quelques unités de masses atomiques a été atteinte. / An extension of the atomic mass surface in the region A ≈ 100 is performed via massmeasurements of the 100-102Sr and 100-102Rb isotopes with the ion-trap mass spectrometer ISOLTRAPat CERN-ISOLDE. The first direct mass measurements of 102Sr and 101;102Rb are reported here. Thesemeasurements confirm the continuation of the region of nuclear deformation with the increase of neutronnumber, at least as far as N = 65.In order to interpret the deformation in the strontium isotopic chain and to determine whether an onsetof deformation is present in heavier krypton isotopes, a comparison is made between experimentalvalues and theoretical calculations available in the literature. To complete this comparison, Hartree-Fock-Bogoliubov calculations for even and odd isotopes are also presented, illustrating the competitionof nuclear shapes in the region.The development of an electrospray ionization ion source is presented. This source can delivera large range of isobaric masses for calibration purposes. The early commissioning of the sourceis discussed, including the results from the first mass scans detected behind the quadrupole massspectrometer. A resolution of a few atomic mass units is reached.

Si l'existence d'un îlot de stabilité au-delà de Z=110 est théoriquement acquise, la localisation de cet îlot varie selon les modèles entre Z=114 et Z=126. Dans ce travail la stabilité des noyaux superlourds est sondée à travers l'étude de leur temps de fission. La méthode expérimentale choisie, dite de blocage cristallin, est sensible à la présence dans la distribution des temps de fission d'éventuelles composantes à longs temps signant un mécanisme de fission intervenant après formation d'un noyau composé. Les figures de blocage ont donc été constituées pour les différents produits de la réaction 238U+Ni (6.6 MeV/A) -> 120, le dispositif expérimental utilisé permettant d'identifier et de sélectionner clairement les mécanismes de réaction. La comparaison de la figure de blocage constituée pour des évènements de diffusion quasi-élastique à celle obtenue pour les fragments issus de la fission d'un Z=120, associée à l'étude des propriétés cinématiques de ces fragments témoigne de la présence de temps de fission très longs (>10^-18 s) uniquement compatibles avec un mécanisme de fusion-fission impliquant une hauteur de barrière de fission non négligeable pour Z=120.<br /><br />Dans une deuxième partie sont présentés des calculs microscopiques de hauteurs de barrières de fission réalisés dans le cadre de la théorie HFB à température finie. En raison de la disparition progressive de la corrélation d'appariement avec T, s'effectuant de manière différente au niveau fondamental et au sommet de la barrière, Bf croît d'abord jusqu'à T~0.8 MeV avant de décroître avec T en raison de l'amortissement des effets de couches avec la température.

La forme du noyau est une caractéristique fondamentale de la matière nucléaire. Les isotopes légers pairs-pairs du krypton possèdent la surprenante propriété de présenter deux minimas pour leur énergie potentielle correspondants à deux déformations opposées. Alors que l'état fondamental 0+ peut avoir une déformation allongée ou aplatie, un second minimum aplati ou allongé respectivement, se dessine à une énergie inférieure à 1 MeV. Un tel phénomène est appelé coexistence de formes. Une première indication expérimentale est l'observation du second minimum correspondant à un état 0+ excité. Celui-ci a été observé tout au long de la chaîne du krypton. Un calcul de mélange des configurations allongée et aplatie met en évidence un changement de forme important de l'état fondamental en fonction du nombre de neutrons. Celui-ci serait de déformation allongée pour les 76,74Kr et deviendrait aplati pour le 72Kr. Une mesure directe de la déformation de ces noyaux est l'étape indispensable pour confirmer ces hypothèses. Une série d'expériences d'excitation Coulombienne auprès du dispositif SPIRAL associé au multi-détecteur EXOGAM au GANIL a été réalisée. Lors de ces expériences, la statistique était suffisante pour extraire les moments quadripolaires intrinsèques de ces noyaux grâce au code GOSIA. Ils établissent le caractère allongé de l'état fondamental et un état excité aplati conformément au scénario de coexistence de formes. Une mesure par « plunger » des temps de vie des états excités complète cette étude. Une expérience a été réalisée à haute énergie auprès du spectromètre LISE au GANIL permettant une première estimation de la collectivité du noyau de 68Se qui présenterait les mêmes propriétés. L'ensemble des résultats obtenus est comparé à des calculs théoriques de type HFB+Sly6+GCM.

La fission induite par neutron, découverte il y a plus de 70 ans, a de nombreuses applications, par exemple industrielles pour la production d'énergie, et intervient dans la nucléosynthèse. Cependant, sa description microscopique reste un problème ouvert. En effet, les degrés de liberté qui interviennent dans ce processus dynamique sont complexes. De plus, les noyaux fissiles ont un nombre élevé de nucléons en interaction (>200). Il s'agit donc d'un problème à N-corps quantique. Or, une résolution directe de ce dernier n'est pas possible à l'heure actuelle. Dans ce contexte, la description microscopique de la fission considérée ici est la suivante : la première étape consiste à déterminer un ensemble de configurations de champ moyen qui représentent différentes déformations du noyau, incluant ainsi explicitement les degrés de liberté collectifs qui leur sont associés. Dans la seconde étape, la dynamique est décrite dans cet espace de configurations en utilisant la méthode de la coordonnée génératrice dépendante du temps (TDGCM). L'approximation des recouvrements gaussiens (GOA) est alors utilisée. Cependant, elle introduit une erreur de modèle et limite les extensions comme par exemple la prise en compte explicite de degrés de liberté intrinsèques. Ce travail de thèse a pour objectif de décrire le processus de fission avec la TDGCM sans recourir à la GOA. Cela implique de résoudre l'équation de la dynamique en TDGCM appelée équation de Hill-Wheeler dépendante du temps (TD-HW). Les méthodes d'évaluations des matrices des recouvrements et du hamiltonien collectif sont présentées dans le cas d'une interaction de Gogny. La matrice des recouvrements représente la métrique de l'espace des configurations, et la matrice du hamiltonien collectif contient les couplages énergétiques entre les configurations. Les configurations sont exprimées dans des bases de particules deux à deux distinctes, introduisant des instabilités numériques dans les méthodes d'évaluation standard. Un formalisme adapté à ces bases est proposé permettant d'éliminer ces instabilités. Deux méthodes de résolution de TD-HW sont présentées. La première consiste à calculer l'opérateur d'évolution associé à l'équation de Hill-Wheeler dépendante du temps. Elle est adaptée à un faible nombre de configurations. La seconde utilise un schéma de discrétisation en temps permettant l'inclusion d'un plus grand nombre de configurations dans le modèle. Ce formalisme est ensuite appliqué à la description de la réaction de fission induite par neutron sur le plutonium 239, et une comparaison avec la TDGCM+GOA est effectuée. / Nuclear fission, where an atomic nucleus separates into two fragments while emitting a large amount of energy, is at the core of many applications in society (energy production) and national security (deterrence, non-proliferation). It is also a key ingredient of the mechanisms of formation of elements in the universe. Yet, nearly 80 years after its experimental discovery its theoretical description in terms of the basic constituents of the nucleus (protons and neutrons) and their interaction remains a challenge. In this thesis, we describe the fission process as follows. In a first step, we use large supercomputers to compute the deformation properties of the nucleus based on our knowledge of nuclear forces. In a second step, we simulate the time evolution of the system from its ground state up to the fragments separation with a fully quantum-mechanical approach called the time-dependent generator coordinate method (TDGCM). While results are in good qualitative agreement with experimental data, the implementation of the TDGCM so far had been greatly simplified using what is known as the Gaussian overlap approximation (GOA). We also developed the formalism and a numerical implementation of the exact TDGCM - without the GOA. This will allow the first systematic validation of that approximation and an assessment of the resulting theoretical uncertainties. The second chapter presents the description of the neutron induced fission process using the TDGCM+GOA. The third one introduces the developments carried out in this thesis allowing the description of the fission process with the TDGCM without the GOA. The last chapter shows the first results obtained with this approach.

The rapid neutron-capture process, known as the r-process, is responsible for the origin of about half the stable nuclei heavier than iron observed in nature. Though the r-process is believed to take place in explosive stellar environments and to involve a large number (few thousands) of exotic nuclei, this nucleosynthesis process remains poorly understood from the astrophysics as well as nuclear physics points of view. On the nuclear physics side, the nuclei are too exotic to be studied in the laboratory, even though great efforts are constantly made to extend the experimental limits away from the eta-$stability region. Therefore, theoretical models are indispensable to estimate the nuclear properties of interest in the r-process nucleosynthesis modelling. So far, models used to predict the properties of the exotic nuclei were based on parametrized macroscopic-type approaches the reliability of which is questionable when extrapolating far away from the experimentally known region. This work is devoted to the improvement of nuclear predictions, such as the nuclear ground- and excited-state properties, needed as input data to model the r-process. In order to give the predictions a reliable character, we rely on the microscopic mean-field Hartree-Fock theory based on the Skyrme-type interaction. Pairing correlations play an important role in the description of nuclei, and become essential for nuclei located near the drip lines, since the scattering of pairs of quasi-particles into the continuum increases significantly. In this work, we brought to the Hartree-Fock model the self-consistent treatment of the pairing correlations within the Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB) theory. Further improvements are made in the restoration of symmetries broken by correlations added in the form of additional degrees of freedom in the wave function. These include the translational invariance restored by calculating the recoil energy, the particle-number symmetry by an exact projection after variation, the rotational symmetry by an approximate cranking correction and the parity symmetry for reflection asymmetric shapes. In addition, the renormalization of the HFB equations has been studied as well and allows to eliminate the dependence of the total energy with respect to the cutoff energy. The effective nucleon-nucleon interaction is determined by adjusting its parameters on all available experimental masses, with some constraints derived from fundamental nuclear matter properties. A systematic study of the influence on mass predictions for each of the above cited improvements as well as of some uncertainties affecting the particle-hole and particle-particle interactions has been conducted. In spite of quite important differences in the input physics, we find a great stability in the mass predictions for exotic neutron-rich nuclei, though local mass differences can be significant. Each of the Skyrme force derived in the present work has been tested on the predictions of basic ground-state properties (including charge radii, quadrupole moments, single-particle levels), fission barriers and electric dipole $gamma-$ray strengths. The HFB predictions globally reproduce experimental data with a level of accuracy comparable with the widely-used droplet-like models. The microscopic character of the approach followed in the present work makes however the predictions for exotic neutron-rich nuclei involved in the r-process more reliable. The influence of such improved nuclear mass predictions on the r-process abundance distribution is studied in the specific scenario of the prompt supernova explosion mechanism.

Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished