Le cadre général de la thèse porte sur la physique nucléaire dans le domaine des énergies basses et intermédiaires, les énergies incidentes pouvant aller d’une dizaine de MeV et atteindre des énergies de l'ordre de l'énergie de Fermi. Ce travail consistera essentiellement en l'élaboration de modèles microscopiques décrivant le problème à N - corps nucléaire, dans le but de fournir des outils théoriques adaptés à l'étude de phénomènes en liaison directe avec des programmes expérimentaux internationaux tels que LNL-FAZIA, GANIL-Spiral 2, GSI-FAIR et LBL-FRIB. Ces nouveaux dispositifs expérimentaux produiront des faisceaux radioactifs de grande qualité qui vont nous permettre d'explorer la matière nucléaire bien loin de ses conditions de stabilité, notamment en isospin, et par conséquent d'avancer dans la compréhension des interactions fondamentales. Des applications interdisciplinaires dans le domaine des astres compacts sont envisageables comme conséquence de la poursuite de ces travaux. En effet, l'astrophysique et la physique nucléaire sont deux disciplines qui s'entrelacent de façon inextricable. En particulier, les expériences avec les nouveaux faisceaux radioactifs nous permettront d’obtenir des informations sur les isotopes rares ayant un rôle important dans des processus astrophysiques, et de répondre à des questions fondamentales concernant la nature des étoiles à neutrons. / This PhD-work is about nuclear physics for low and intermediate energies, the incident energy from tens MeV to energies about the Fermi-energy. This work consists essentially in the development of microscopic models describing the N-body nuclear problem, the main goal is to provide some theoretical tools adapted to the study of phenomena linked to international experimental programs such as LNL-FAZIA, GANILSpiral 2, GSI-FAIR and LBL-FRIB. These new experiments will produce high-quality radioactive beams that will provide us to explore nuclear matter far from stability, especially in isospin and therefore to progress in the comprehension of fundamental interactions. Interdisciplinary applications in the field of compact stars can be envisaged as due to this work. Indeed, astrophysics and nuclear physics are two disciplines that intertwine inextricably. In particular, experiments with new radioactive beams will enable us to obtain information on rare isotopes having an important role in astrophysical processes and to answer basic questions about the nature of neutron stars.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique nucléaire : Lyon 1 : 2002. / Titre provenant de l'écran-titre. 50 réf. bibliogr.

Th.--Sci. phys.--Grenoble 1, 1979. N°: 49.

Ce mémoire est une collection de chapitres d'introduction et d'articles publiés portant sur l'appariement et la superfluidité dans des systèmes variés : dans les gaz d'atomes piégés, dans la matière nucléaire, dans la croûte des étoiles à neutrons, et dans les gouttes de matière de quarks ("strangelets"). Après une introduction générale, soulignant les analogies entre les différents systèmes, l'appariement dans des systèmes statiques est discuté : les équations Bogoliubov-de Gennes (Hartree-Fock-Bogoliubov) pour les systèmes finis, l'approche de Nozières et Schmitt-Rink pour le cross-over BEC-BCS. Ensuite, le mouvement collectif dans des systèmes superfluides est étudié : la rotation lente (sans vortex) ainsi que les modes collectifs. Les méthodes utilisées pour cela sont : l'hydrodynamique superfluide, l'approximation des phases aléatoires de quasiparticules ("quasiparticle random-phase approximation", QRPA), et des théories semiclassiques (théorie de transport de Betbeder-Matibet et Nozières, équation de Boltzmann). Finalement, des perspectives et projets futurs sont discutés.

Dans ce mémoire sera présentée une nouvelle méthode numérique envisagée dans le but d’obtenir le pouvoir thermoélectrique à température finie. Une méthode d’entropie maximale est utilisée, ce qui était une caractéristique requise des équations dérivées. Toutes les équations nécessaires y sont présentées, ainsi que certaines astuces reliées au prolongement analytique de quantités bruitées ou de fonctions dont la convergence est lente etc. De plus, les trois fonctions de corrélation d’intérêt y sont calculées de trois façons différentes, avec les détails et les explications nécessaires. On y présente le cas de la conductivité électrique, du pouvoir thermoélectrique ainsi que la fonction de corrélation courant de chaleur-courant de chaleur. L’implémentation numérique finale s’est butée à des difficultés qui sont expliquées dans ce mémoire.

Ce mémoire est une synthèse, sous forme de sélection d'articles, des travaux développés depuis ma soutenance de thèse en 2001. De nombreuses lignes de recherche se sont dégagées dans les années qui ont suivi ma thèse et mes activités scientifiques se sont développées en suivant différentes directions. Le noyau atomique est un système quantique composé par N fermions qui nécessite un traitement théorique basé sur des modèles microscopiques. Les travaux développés et l'expérience acquise dans ce domaine se prêtent donc de manière très naturelle à des extensions interdisciplinaires pour l'étude d'autres systèmes quantiques formés par N fermions comme, par exemple, les agrégats métalliques ou les gaz d'atomes fermioniques piégés. J'ai exploré quelques-uns de ces liens interdisciplinaires et l'ensemble de ces activités a contribué à former ma vision générale du problème à N corps. Cela a par ailleurs enrichi et élargi mes perspectives de recherche en physique nucléaire. La plus longue partie du mémoire est consacrée à la réflexion autour des noyaux exotiques effectuée avec des modèles basés sur le champ moyen pour étudier : l'évolution de la structure loin de la stabilité et certains phénomènes exotiques liés à cette évolution, les corrélations d'appariement, les halos, l'effet sur les propriétés de l'état fondamental du terme tenseur et d'autres termes non standards dans l'interaction de Skyrme. Des applications dans les domaines des réactions et de l'astrophysique nucléaire sont aussi discutées. Quelques extensions de la méthode RPA sont détaillées. Ces travaux visent à une formulation complètement auto-consistante de la méthode pour un meilleur traitement des corrélations dans l'état fondamental des systèmes à N corps. Dans les conclusions et perspectives du mémoire, les limites de validité de l'approximation de champ moyen sont mises en évidence et un certain nombre de possibilités d'amélioration du pouvoir prédictif et de raffinement des modèles sont présentées et discutées.

Un des principaux axes de recherche en physique nucléaire est l'étude des noyaux dans des conditions extrêmes en spin et isospin. Les méthodes microscopiques de type champ moyen, parmi lesquelles la méthode Hartree-Fock basée sur l'approximation des particules indépendantes, sont un des outils les plus performants pour les prédictions théoriques dans ce domaine. Représentant les interactions entre les nucléons dans le noyau, les forces effectives nucléon-nucléon sont le principal ingrédient de ces théories microscopiques auto-cohérentes. L'interaction de Skyrme est une force de portée nulle permettant de construire de manière relativement simple le champ moyen.<br />Bien que cette force ait, sous sa forme standard actuelle, un pouvoir prédictif reconnu, il apparaît aujourd'hui nécessaire d'enrichir sa paramétrisation afin d'améliorer la description des noyaux, en particulier des noyaux exotiques. Ceci peut notamment se faire en introduisant une dépendance en densité plus complexe que dans les paramétrisations standards.<br />L'ajustement des paramètres de cette force peut s'appuyer sur les approches microscopiques de type Brueckner-Hartree-Fock qui n'utilisent comme ingrédient que l'interaction nucléon-nucléon nue. La construction des paramètres de la force va désormais reposer sur des contraintes plus fondamentales. L'étude de la matière nucléaire nous conduit à inclure dans notre procédure d'ajustement une meilleure prise en compte des instabilités de spin et d'isospin, libérant en même temps le domaine d'évolution possible des paramètres de la force lors de leurs ajustements. L'ensemble de ces éléments permet de décrire les propriétés de la matière nucléaire et des noyaux en s'appuyant sur des bases plus solides.

La formation des structures dans l'univers demeure une des interrogations majeures en cosmologie. La croissance des structures dans le régime linéaire, où l'amplitude des fluctuations est faible, est bien comprise analytiquement, mais les simulations numériques à N-corps restent l'outil principal pour sonder le régime "non-linéaire" où ces fluctuations sont grandes. Nous abordons cette question d'un point de vue différent de ceux utilisés couramment en cosmologie, celui de la physique statistique et plus particulièrement celui de la dynamique hors-équilibre des systèmes avec interaction à longue portée. Nous étudions une classe particulière de modèles 1-d qui présentent une évolution similaire à celle rencontrée dans les modèles 3-d. Nous montrons que le clustering spatial qui se développe présente des propriétés (fractales) d'invariance d'échelles, et que des propriétés d'auto-similarité apparaissent lors de l'évolution temporelle. D'autre part, les exposants caractérisant cette invariance d'échelle peuvent être expliqués par l'hypothèse du "stable-clustering". En suivant une analyse de type halos sélectionnés par un algorithme "friend-of-friend", nous montrons que le clustering non-linéaire de ces modèles 1-d correspond au développement d'une éhiérarchie fractale statistiquement viriélisée". Nous terminons par une étude formalisant ue classification des interactions basée sur des propriétés de convergence de la force agissant sur une particule en fonction de la taille du système, plutôt que sur les propriétés de convergence de l'énergie potentielle, habituellement considérée en physique statistique des systèmes avec interaction à longue portée.

Dans les galaxies en interaction, de colossales forces de marée perturbent la morphologie des progéniteurs pour engendrer les longs bras d'étoiles, gaz et poussières que l'on observe parfois. En plus de leur effet destructeur, les forces de marée peuvent, dans certain cas, se placer dans une configuration protectrice appelée mode compressif. De tels modes protègent alors la matière en leur sein, en augmentant son énergie de liaison. Cette thèse se concentre sur l'étude de ce régime peu connu en quantifiant ses propriétés grâce à des outils numériques et analytiques appliqués à un spectaculaire système de galaxies en fusion, communément appelé les Antennes. Des simulations N-corps de cette paire de galaxies montrent la présence de modes compressifs dans les régions où les observations révèlent un sursaut de formation stellaire. De plus, les temps et énergies caractéristiques de ces modes correspondent à ceux de la formation de sous-structures autogravitantes telles que des amas stellaires et des naines de marée. Des comparaisons avec les taux de formation stellaire dérivés de simulations hydrodynamiques confirment la corrélation entre les positions des modes compressifs et les sites où la formation des étoiles est certainement amplifiée. Mis bout-à-bout, ces résultats suggèrent que les modes compressifs des champs de marée jouent un role important dans la formation et l'évolution des jeunes amas, au moins d'un point de vue statistique, sur une échelle de temps de l'ordre de dix millions d'années. Des résultats préliminaires de simulations d'associations stellaires soulignent l'importance de plonger les amas dans leur environnement galactique en évolution, pour tenir compte précisément de leur morphologie et évolution interne. Ces conclusions ont été étendues à de nombreuses configurations d'interaction et restent robustes aux variations des principaux paramètres caractérisant les paires de galaxies. Nous notons cependant une nette anti-corrélation entre l'importance du mode compressif et la distance entre ces galaxies. De nouvelles études incluant les aspects hydrodynamiques sont maintenant en cours et aideront à préciser le rôle exact du mode compressif dans la formation et la survie des amas d'étoiles. Les premières comparaisons avec de telles simulations suggèrent que les modes compressifs agissent en tant que catalyseurs ou amorces de la formation stellaire.

Les jeunes amas d'étoiles sont sous-structurés et évoluent dynamiquement pour former des amas sphériques à l'équilibre. Je présente une nouvelle méthode pour générer des conditions initiales réalistes pour simuler ce processus: la fragmentation de Hubble-Lemaitre. Je laisse le système développer spontanément des surdensités au cours d'une expansion du système. Le modèle résultant se compare bien aux simulations hydrodynamiques de formation stellaire et aux observations des jeunes amas. Le modèle fragmenté s'effondre de manière plus douce qu'un modèle uniforme. L'injection d'une population d'étoile binaire avant l'effondrement a montré qu'un système sous-structuré détruisait bien plus de binaires qu'un système à l'équilibre. Des binaires particulièrement larges ou serrées, jusqu’à 0.01 AU, ont également été détectées dans ces modèles. Cette méthode est très prometteuse, un exemple d'application est la génération d'observations synthétiques de régions de formation stellaire. / Young star clusters are substructured and undergo a dynamical evolution erasing this substructure to form relaxed spherical clusters. I present a new method to generate realistic initial conditions to perform N-body simulations of this process: the Hubble-Lemaitre fragmentation. By expanding an initially uniform sphere, I allow spontaneous overdensities to grow, creating a realistic model for young clumpy stellar systems. This method is validated by analysing the distribution and content of the clumps and comparing them to hydrodynamical simulations of star formation as well as observations of star forming regions. These systems undergo a softer collapse than uniform ones. I injected binary stars in the fragmented models and found they were heavily processed when substructure was present. I also found extreme short and tight binaries, down to 0.01 AU, to formin the models. The method has a lot of potential, such as the generation of mock observations of star-forming regions.