Ce travail décrit la mise au point et l'exploitation d'un quadrupole à radiofréquence rempli de gaz pour la collection et le refroidissement rapide de faisceaux d'ions de basse énergie (10-100 keV). L'objectif de ce système est de réduire l'émittance du faisceau radioactif ISOLDE (avec un minimum de pertes) afin d'augmenter la sensibilité des deux spectromètres en ligne dédiés à la mesure de masse de haute précision : MISTRAL et ISOLTRAP. Chacun de ces dispositifs de refroidissement est porté à une haute tension dans le but de réduire l'énergie cinétique du faisceau injecté dans le quadrupole. Le dispositif de MISTRAL est prévu pour ré-accélérer le faisceau continu refroidi tandis que celui d'ISOLTRAP délivre des paquets d'ions de faible énergie (~3 keV) pour une injection et un refroidissement additionnel dans un piège de Penning. Ce mémoire de thèse décrit également les mesures de masse des isotopes de mercure déficients en neutrons 182;183Hg effectuées avec le système nouvellement développé pour ISOLTRAP. Les mesures de masse de haute précision résultantes nous donnent une idée plus claire des énergies de liaison et de leurs corrélations avec les coexistences de formes connues dans cette région.

Pas de resume disponible

Les nombres magiques ou fermetures de couche sont une des caractéristiques importantes de la structure nucléaire, mais qui sont modifiés loin de la vallée de stabilité. La détermination de l'énergie de liaison, via des mesures de masse sur les noyaux exotiques, représente un des plus grands challenge dans l'étude de la structure nucléaire à cause de la précision importante qui est nécessaire, et du faible taux de production, ainsi que les courtes durées de vie. Afin de résoudre le problème, deux spectromètres de masse ISOLTRAP et MISTRAL peuvent être utilisés, tous les deux situés à ISOLDE/CERN (Genève). MISTRAL est un spectromètre de masse à transmission pour les noyaux de courtes durées de vie, et ISOLTRAP est un spectromètre de masse basé sur l'utilisation de pièges de Penning, qui effectue des mesures de masses de haute précision. Cette thèse décrit les techniques pour repousser les limites de ces deux instruments complémentaires: un système de refroidissement de faisceau pour améliorer la sensibilité de MISTRAL et une procédure d'optimisation pour améliorer la définition des champs de piégeage d'ISOLTRAP. Des mesures très précises ont été effectuées avec ISOLTRAP afin d'augmenter le nombre de noyaux très bien connus dans la table de masse, et afin d'examiner le cas de deux nouveaux nombres magiques N = 32 et N = 40. Les résultats montrent un surplus d'énergie de liaison pour le 56Cr32 dû à la présence d'une probable déformation. Un faible effet<br />apparait pour le 68Ni40, peut-être dû à une compétition avec la demi-couche à N = 39, la présence d'une fermeture de couche à N = 40 est exclue par nos résultats.

Les noyaux à halo sont une caractéristique spectaculaire et inattendue des abords de la drip-line et leur description amène les théories de la physique nucléaire à leurs limites. Le paramètre d'entrée le plus critique est l'énergie de liaison nucléaire ; une quantité qui nécessite des mesures très précises, puisque l'énergie de séparation de deux neutrons est faible à la "drip-line". De plus, de tels noyaux ont typiquement une courte durée de vie. Pour faire de telles mesures, un instrument de haute précision utilisant une méthode rapide de mesure est nécessaire. MISTRAL est un tel instrument ; c'est un spectromètre de masse à transmission situé à ISOLDE/CERN. En juillet 2003 nous avons mesuré la masse du 11Li qui est un noyau à halo à deux neutrons. La mesure effectuée améliore la précision d'un facteur 6, avec une barre d'erreur de 5 keV. De plus la mesure donne une énergie de séparation de deux neutrons 20% supérieure à la valeur précédente. Cette mesure a un impact sur le rayon du noyau ainsi que sur l'état des deux neutrons de valence. Dans le même temps, une mesure du 11Be a été effectuée avec une barre d'erreur de 4 keV en excellent accord avec les précédentes mesures. Dans le but de poursuivre le programme de mesure de MISTRAL, par la mesure de la masse du 14Be, un système de refroidissement de faisceau d'ions est actuellement en développement pour accroître la sensibilité du spectromètre. Une partie de ce travail est consacrée au développement de ce refroidisseur, constitué d'un piège de Paul rempli par un gaz tampon.

La détermination de la masse nucléaire permet d'accéder à l'énergie de liaison donc au bilan de toutes les forces agissant dans le noyau. L'exploration de la structure nucléaire requiert la mesure des masses loin de la stabilité. Néanmoins la production des ions radioactifs est peu sélective et l'ion d'intérêt est souvent noyé dans un fond de contaminants isobariques. Ces dernières années, l'utilisation des pièges à ions linéaires et du refroidissement par gaz tampon a été fortement développée permettant la mesure de masse des noyaux exotiques avec une grande précision. Cette thèse porte sur le développement innovant d'un piège de Paul circulaire, "le cirque d'ions". Sa géométrie lui permet de confiner les ions sur un grand nombre de tours. Ainsi, ils peuvent être refroidis avec une pression de gaz tampon de l'ordre de 10-4 mbar. Par ailleurs, il est capable de trier en masse les ions piégés et refroidis avec un pouvoir de résolution suffisant pour séparer des isobares. Nous avons réalisé et testé le premier prototype de ce spectromètre à Orsay. Cette thèse étudie également les prédictions des masses par les différents modèles théoriques, en les comparant avec l'approche microscopique HFB-17. Actuellement, la masse des noyaux très exotiques peut seulement être prédite. L'étude de l'énergie de séparation de deux neutrons avec HFB-17 met en évidence des zones d'instabilité numérique. Afin de l'améliorer, nous avons apporté une correction aux énergies de déformation calculées par ce modèle, en utilisant comme référence les masses des chaînes isotopiques 143-146Xe et 223-229Rn que nous avons mesurées avec le spectromètre ISOLTRAP au CERN.

Découvert en 1995 à Fermilab, le quark top est le dernier quark découvert. La mesure de ses propriétés permet de tester les prédictions du Modèle Standard et de contraindre la masse du boson de Higgs. De par ses propriétés, le quark top est aussi un partenaire privilégié dans la recherche de particules de Nouvelle Physique attendues à l'échelle du TeV. Ce travail de thèse, effectué auprès du détecteur ATLAS au LHC, présente les méthodes mises en oeuvre afin de mesurer la masse du quark top dans sa désintégration semileptonique. Différentes méthodes de reconstruction des évènements top sont présentées ainsi qu'une analyse dédiée basée sur les arbres de décision boostés. Ses performances sont quantifiées. La mesure précise de la masse du quark top nécessite une compréhension approfondie de l'échelle en énergie des jets. Deux stratégies sont présentées afin de calibrer les jets légers et les jets issus de quark b à l'échelle partonique. Les performances d'un ajustement cinématique appliqué à la mesure de la masse du quark top sont présentées. Une mesure de la masse du quark top est extraite en utilisant une définition de la masse calibrée à l'échelle partonique.

Ces travaux de thèse tentent de répondre à un besoin de surveillance fiable et durable de la concentration d’hydrogène dans un environnement radioactif. Dans ces travaux, nous proposons l’étude et le développement d’un capteur physique d’hydrogène à base de micropoutres résonantes en silicium. La particularité de ce type de capteur vient du fait qu’il ne contient pas de couche sensible et est donc moins sujet au vieillissement que les capteurs chimiques à base de couche sensibles. Compte tenu de la faible masse volumique de l’hydrogène par rapport à celle de l’air et de la bonne sensibilité des micropoutres résonantes aux propriétés physiques du gaz environnant (masse volumique et viscosité), l’utilisation de micropoutres résonantes pour le suivi de la concentration de l’hydrogène dans l’air est tout à fait possible. L’objectif de ces travaux de recherche est l’amélioration de la sensibilité et de la limite de détection de ce type de capteur. Tout d’abord, une étude des méthodes de suivi de faibles variations de la fréquence de résonance a été effectuée. Ceci a permis de déterminer la méthode ayant le meilleur rapport signal sur bruit, permettant ainsi d’améliorer la limite de détection en termes de variation de fréquence de résonance. Dans une seconde partie, une étude de l’influence de la géométrie et des dimensions sur la sensibilité vis-à-vis des variations de la masse volumique du gaz environnant a été réalisée. A l’issu de cette étude, des critères géométriques et dimensionnels permettant l’optimisation de la sensibilité ont été dégagés. D’autres aspects visant à améliorer les performances (sensibilité et limite de détection) de ces capteurs ont été étudiés, comme l’influence du courant d’actionnement et des tensions de polarisation (actionnement électromagnétique et détection piézorésistive) et l’utilisation des modes supérieurs de résonance. Par ailleurs, l’étude de l’influence des paramètres environnementaux (température et pression) sur le comportement des micropoutres résonantes a été établie. / These PhD research tries to meet a need for a reliable and a sustainable hydrogen concentration monitoring in a radioactive environment. In this work, we propose the study and development of resonant silicon microcantilever-based physical hydrogen sensors. The special feature of this sensor is that it does not contain any sensitive and consequently the reliability is improved, compared to devices with sensitive coating. In view of the low density of hydrogen compared to that of air, and the good sensitivity of a resonant microcantilever to the physical properties of the surrounding gas (density and viscosity), the use of vibrating uncoated microcantilever for monitoring hydrogen concentration in air is therefore possible. The objective of this research is to improve the sensitivity and the limit of detection of such sensors. First of all, a study of methods for monitoring small changes in resonant frequency has been conducted in order to determine the method having the best signal to noise ratio, thus, allowing improvement of its resolution in terms of resonant frequency variation measurement. In a second part, a study of the influence of microcantilever geometries and dimensions on their sensitivity to the gas density variation has been performed. As a result, geometrical and dimensional criteria for optimizing the sensitivity to the gas density have been identified. Other factors in a view of improving performance (sensitivity and detection limit) of vibrating microbeams have been studied, such as the influence of the actuating current and bias voltages (electromagnetic actuation and piezoresistive detection) and using high resonant modes. Furthermore, the study of the influence of environmental parameters (temperature and pressure) on the sensors behavior has been established.

Découvert en 1995 à Fermilab, le quark top est le dernier quark découvert. La mesure de ses propriétés permet de tester les prédictions du Modèle Standard et de contraindre la masse du boson de Higgs. De par ses propriétés, le quark top est aussi un partenaire privilégié dans la recherche de particules de Nouvelle Physique attendues à l'échelle du TeV. Ce travail de thèse, effectué auprès du détecteur ATLAS au LHC, présente les méthodes mises en oeuvre afin de mesurer la masse du quark top dans sa désintégration semileptonique. Différentes méthodes de reconstruction des évènements top sont présentées ainsi qu'une analyse dédiée basée sur les arbres de décision boostés. Ses performances sont quantifiées. La mesure précise de la masse du quark top nécessite une compréhension approfondie de l'échelle en énergie des jets. Deux stratégies sont présentées afin de calibrer les jets légers et les jets issus de quark b à l'échelle partonique. Les performances d'un ajustement cinématique appliqué à la mesure de la masse du quark top sont présentées. Une mesure de la masse du quark top est extraite en utilisant une définition de la masse calibrée à l'échelle partonique. / Discovered in 1995 at Fermilab, top quark is the last quark discovered. The measurement of its properties allows to test Standard Model predictions and to constraint Higgs boson mass. Due to its properties, the top quark is a privileged partner in the search for New Physics particles expected around TeV scale. This thesis, performed using the ATLAS detector at LHC, describes the different methods developed in order to measure precisely the top quark mass in its semileptonic decay. Two reconstruction methods are presented as well as a dedicated one based on Boosted Decision Trees. Its performances are quantified The precise measurement of the top quark mass needs a deep understanding of the jet energy scale. This thesis presents two strategies to calibrate light and b jets to the partonic scale. The performance of a kinematical fit applied to top mass measurement are presented. A precise measurement of the top quark mass is done using a calibrated scale to the partonic level.

La thèse porte sur l’étude des supernovae à effondrement de coeur (CCSN). D’abord, nous avons cherché à modéliser la composition du coeur de l’étoile massive lors de son effondrement. Nous avons élaboré un nouveau traitement de l’équilibre statistique nucléaire à partir d’une équation d’état basée sur l’approximation de noyau unique (Lattimer et Swesty, LS). Cela permet d’obtenir une description plus réaliste de la distribution des noyaux constitutifs du coeur et de quantifier plus spécifiquement le rôle des masses nucléaires. Les distributions obtenues avec la fonctionnelle de masse originelle (LS) et celles obtenues à partir des modèles de masse tels que HFB-24 et DZ10 ont été comparées pour plusieurs conditions thermodynamiques d’une trajectoire typique de CCSN. Les différences de composition pouvant conduire à des déviations sur le taux de capture électronique allant jusqu’à ∼25%, il est apparu important de définir un modèle de masse réaliste à utiliser pour la simulation de CCSN. Pour cela, nous avons réalisé des mesures de masse de précision dans la région d’intérêt, avec un double piège de Penning auprès de l’installation IGISOL (située à Jyväskylä, Finlande). Cinq nouveaux excès de masse ont été déterminés pour les noyaux suivants : 69m,70Co, 74,75Ni et 76mCu. La précision a été améliorée pour cinq autres : 67Fe, 69Co, 76,78Cu, 79mZn. Enfin, nous avons confirmé les valeurs obtenues par des études récentes pour le 77Cu et le 79Zn. Dès lors, les valeurs expérimentales des gaps nucléaires Z=28 et N=50 ont été comparées aux résultats prédits par DZ10 et HFB-24. Ce dernier modèle reproduit mieux l’évolution des gaps en question. De fait, HFB-24 a été utilisé dans notre nouveau traitement statistique, que nous avons implémenté dans une simulation hydrodynamique existante de CCSN. Au final, nous avons observé un impact modéré du modèle de masse sur la composition du coeur en effondrement. Par ailleurs, nous avons montré que ces différences de composition ont peu d’effet sur la dynamique d’effondrement, celle-ci semble plus affectée par le taux de capture électronique. Les études futures devraient se focaliser plutôt sur ce paramètre. / The thesis sets itself in the framework of the study of core-collapse supernovae (CCSN). First, the modeling of the composition of the core of a massive star during its collapse has been investigated. To this aim, we have built a new treatment of the nuclear statistical equilibrium starting from a single-nucleus approximation equation of state (Lattimer and Swesty, LS). This allows a more realistic description of the nuclear distribution inside the core and, more specifically, to quantify the role of the nuclear masses. The distributions obtained with the original mass functional (LS) and those obtained with HFB-24 and DZ10 mass models have been compared for several thermodynamic conditions of a typical CCSN trajectory. The differences in the composition could lead up to ∼25% deviations in the electron-capture rate, thus showing the need to identify a proper mass model to use in CCSN simulations. Therefore, we performed high precision mass measurements in the nuclear mass region of interest, via a double Penning trap at the IGISOL facility (Jyväskylä, Finland). Five new mass excess were determined for the following nuclei : 69m,70Co, 74,75Ni and 76mCu. The precision has been improved for five others : 67Fe, 69Co, 76,78Cu and 79mZn. Finally, we have confirmed the values obtained by recent studies for 77Cu and 79Zn. The experimental values of the nuclear gaps for Z=28 and N=50 have been compared with the results predicted by DZ10 and HFB-24. The latter model better reproduces the evolution of these gaps. Therefore, HFB-24 was used in our new statistical treatment, that we implemented in an existing CCSN hydrodynamical simulation. We have observed a moderated impact of the mass model on the composition of the collapsing core. Moreover, we found that the differences in composition have small effect on the collapse dynamics, which appears to be more sensitive to the electron-capture model. Further studies should thus focus on this parameter.