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Les réactions induites par des nucléons dans le domaine 20-200 MeV font depuis long temps l'objet d'une étude intensive. Le processus d'émission des particules dans la phase dite de pré-équilibre a une contribution très importante dans cette région et plusieurs approches théoriques ont été proposées afin de l'expliquer. Leur pouvoir prédictif doit être vérifiée par des comparaisons avec des données expérimentales dans diverses configurations. Les résultats expérimentaux présentés dans ce travail permettent l'extension vers les plus hautes énergies des bases de données, actuellement limitées aux énergies autour de 60 MeV.<br> Réalisées au cyclotron du laboratoire TSL à Uppsala (Suède), les expériences ont comme objectif la mesure des sections efficaces doublement différentielles de production des particules chargées légères jusqu'au A=4 dans des réactions induites par des neutrons de 96 MeV sur trois systèmes, avec un seuil en énergie bas et dans un domaine angulaire important (20-160 degrés). La procédure de normalisation employée dans le calcul des sections efficaces utilise la réaction de diffusion élastique np. La détection des protons avec deux dispositifs expérimentaux indépendants (SCANDAL et MEDLEY) permet un bon control des erreurs systématiques affectant les résultats.<br> Une étude systématique sur les prédictions des différents modèles théoriques est présentée dans la dernière partie de ce travail. A l'exception du modèle de simulation microscopique DYWAN, choisi pour son originalité dans le traitement des réactions nucléon-noyau, sont concernées généralement les approches implémentées dans des codes de simulation actuellement utilisés par la communauté scientifique.

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Ce mémoire est composé de quatre chapitres. Le premier est consacré aux méthodes expérimentales, l'accent sera mis sur les problèmes liés à la sélection des événements. Je vais présenter dans le deuxième et troisième chapitre deux aspects de la multifragmentation vus par un expérimentateur. Le premier aspect concerne une étude statistique de la multifragmentation. Une comparaison des données avec le modèle SMM, permettra de dégager les problèmes liés aux hypothèses couramment faites pour étudier les transitions de phases. Une étude spécifique sur les caractéristiques des fragments primaires reconstruits sera présentée. Ceci permettra d'extraire la composante thermique emportée par les particules évaporées et l'énergie d'excitation des fragments. Malgré l'accord satisfaisant obtenu entre le calcul statistique et les observables statiques, une telle approche ne renseigne pas sur l'origine des fragments. Le deuxième aspect de ce mémoire est complémentaire du premier, il traite de la dynamique des collisions. Une comparaison des données avec des calculs de dynamique moléculaire anti-symétrisée AMD soulèvera des questions pertinentes sur les processus de multifragmentation. Au contraire des premiers chapitres, je terminerai avec une étude expérimentale sans «!à priori!» du système Xe + Sn à la plus basse énergie mesurée avec INDRA, 25 AMeV, aux alentours du seuil de la multifragmentation. Les propriétés des fragments détectés donnent des informations précieuses sur le mécanisme de leur formation. Une extension aux autres énergies et aux autres paramètres d'impact va permettre de donner une idée claire sur le mécanisme de production des fragments de masse intermédiaire.

Les collisions d'ions lourds aux énergies de Fermi conduisent à la formation de noyaux chauds. <br />Selon l'énergie d'excitation mise en jeu, plusieurs modes de décroissance sont observés, en particulier une émission de fragments complexes (Z>2), dont l'origine est encore mal comprise. <br />Le GANIL permet d'explorer sur une large gamme en énergie, entre 32 et 95 MeV/u, la fonction d'excitation du système Ar+Ni depuis l'« évaporation » jusqu'à la «vaporisation » complète des noyaux chauds en particules légères (neutrons, isotopes de H, He). <br />L'analyse des mécanismes de réaction a montré, pour des petits paramètres d'impact, la domination des collisions binaires très inélastiques. <br />Ces dernières ont motivé une analyse en deux sources, des événements bien mesurés par le détecteur INDRA, à l'aide d'une méthode de reconstruction fondée sur l'«arbre minimum». <br />Des énergies d'excitation voisines de 20 MeV/A sont atteintes, à 95 MeV/u, dans les collisions centrales. <br />Pour les collisions violentes, le partage de l'énergie n'est plus équilibrée entre les deux partenaires, le quasiprojectile ayant une énergie d'excitation par nucléon plus élevée que la quasi-cible. <br />Entre 2 et 8 MeV/A d'énergie d'excitation totale du système, correspond une phase de production importante de fragments de masses intermédiaires qui sature autour de 10 MeV/A. <br />Le déclin du régime de «multifragmentation», au-delà de 15 MeV/A, coïncide avec la probabilité croissante d'observer la «vaporisation» des deux noyaux chauds, dont le seuil se situe aux environs de 8 MeV/A. <br />Par ailleurs, l'augmentation régulière de la température extraite des rapports isotopiques He-Li en fonction de l'énergie d'excitation du quasi-projectile suggère une évolution progressive des modes de décroissance des noyaux chauds, en accord avec les prédictions de modèles statistiques. <br />Aucun signe d'une transition de phase du premier ordre de type liquide-gaz n'est observé pour ces noyaux légers.

Le travail de thèse s'articule autour de deux études : étude de la réaction de spallation p+Au à 2.5 GeV et étude de la production neutronique en cibles épaisses. Ces deux études s'inscrivent dans un programme de recherche initié dans le cadre du projet de Source Européenne de Spallation (ESS) et du projet français de traitement des déchets radioactifs (GEDEON). A l'aide d'un dispositif expérimental très complet alliant un détecteur de neutrons à des détecteurs de particules chargées, tous deux d'efficacité supérieure à 80\%, nous avons pu étudier l'évolution du processus élémentaire de spallation en fonction de l'énergie déposée par le proton incident dans le noyau (énergie d'excitation). Nous avons ainsi montré le réalisme d'une description du processus en deux étapes et validé l'utilisation du code de cascade intra-nucléaire de J. Cugnon (INCL2.0) couplé à un code de désexcitation statistique (GEMINI). Les sections efficaces de production des particules chargées légères ont été mesurées et la contribution de l'émission de prééquilibre évaluée. La formation des particules composites ``directes'' a été ajoutée au code INCL2.0 à l'aide d'un modèle de coalescence. La production neutronique (multiplicités moyennes et distributions) a été étudiée en fonction de l'énergie du faisceau, de la géométrie de la cible et de la nature de la cible. Nous avons montré que le gain en neutrons, lorsque l'épaisseur de cible augmente, est dominé par la probabilité de réaction (pour des épaisseurs de cibles inférieures à 2 ou 3 longueurs d'interaction) et d'une façon moindre par le développement des réactions secondaires. Ces deux paramètres ont été étudiés séparément. Les données expérimentales ont été comparées aux résultats du code de transport HERMES, validant celui-ci pour l'émission de neutrons.

Il s'agit d'une étude méthodologique critique de la calorimétrie et de la thermométrie de noyaux chauds formés lors de collisions Xe+ Sn entre 25 et 100 MeV/u. L'instrument de caractérisation physique des noyaux chauds est le multidétecteur 4 pi INDRA. Cette étude a été faite en utilisant les générateurs d'événements GEMINI, SIMON et HIPSE et un filtre informatique simulant le fonctionnement complet du multidétecteur.<br />Une méthode alternative de calorimétrie a été proposée et partiellement validée à l'aide du générateur d'événements HIPSE.

La théorie covariance de la fonctionnelle de la densité (CDF), basée sur un petit nombre de paramètres ajustables, a été utilisée avec succès pour décrire l’état fondamental et les états excités des noyaux de la carte nucléaire, pour A>12. Cette approche permet de décrire les systèmes nucléaires finis avec un Lagrangien hadronique universel résolu dans le cadre de l'approche Relativiste-Hartree-Fock-Bologuibov (RHFB). Ce modèle est également utilisé pour l'étude des étoiles compactes, car il peut être étendu à des densités élevées où la relativité restreinte ne peut pas être ignoré. Ce modèle peut également être étendu pour inclure la contribution des hypérons et ainsi que d'autres particules exotiques. Dans ce travail, la description et des prédictions basées sur l'approche RHFB pour les noyaux dans des conditions extrêmes de la masse, d'isospin et de température sont présentés.Dans la première partie de cette thèse, nous explorons l'apparition de nouvelles fermetures de couches sphériques pour des noyaux super-lourds, où les fermetures de couches sont caractérisées en termes de gap à deux nucléons. Les résultats dépendent légèrement des Lagrangians effectifs utilisés, mais les nombres magiques au-delà de ^{208} Pb sont prédit pour un nombre de protons Z=120 et 138, et pour un nombre de neutrons N=172, 184, 228, et 258. Les effets de couche sont sensibles à différents termes de champ de moyen, tels que le couplage spin-orbite, la masse scalaire et la masses effective, ainsi que l'interaction de tensorielle de Lorentz. Ces termes ont des poids différents dans les Lagrangians effectifs employées, expliquant les variations, somme toute petites, dans leurs prédictions. Employant le modèle RHFB le plus avancé, nous avons trouvé que le nucléide ^{304} 120 est favorisée comme étant le prochain noyau sphérique doublement magique au-delà de ^{208} Pb.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étudions l'apparition de nouveaux nombres magiques pour les noyaux de masse intermédiaire riches en neutrons, et nous analysons le rôle des interactions pseudo-vecteur et de tensorielle de Lorentz. Basé sur la transformation de Foldy-Wouthuysen, nous discutons en détail le rôle joué par les différents termes des interactions pseudo-vecteur et de tensorielle de Lorentz. Dans l'apparition des nouveaux nombres magiques N=16 , 32 et 34. Les noyaux ^{24} O ^{48} Si et ^{52,54} Ca sont prédits avec un grand gap au niveau de Fermi et un gap d'appariement zéro (^{24} O,^{54}Ca ) ou quasi-nul (^{48} Si,^{54} Ca), les rendant candidats pour de nouveaux nombres magiques des noyaux riches en neutrons. Nous constatons que les interactions de Lorentz pseudo-vecteur et tensorielle induisent des évolutions très spécifiques des énergies à une particule, ce qui pourrait signer la présence et la nécessité d'approches relativistes avec des interactions d'échanges de mésons.Dans la dernière partie de cette thèse, nous étudions les transitions de phase et excitations thermiques des deux noyaux stables et faiblement liés. Les prédictions de divers Lagrangiens relativistes et des différentes interactions d'appariement sont discutées. La température critique de la transition d'appariement dépend linéairement du gap d'appariement à température nulle, et cette dépendance est similaire pour une interaction de portée nulle ou bien finie. Les calculs présentés montrent des caractéristiques intéressantes des corrélations d'appariement à température finie, comme la persistance d'appariement et les phénomènes de re-entrance superfluide. En outre, nous analysons la réponse thermique de certains noyaux.En conclusion, le travail présenté dans cette thèse montre des résultats très intéressants et nouveaux pour trois des questions les plus importantes en physique nucléaire: la quête d'un nouvel îlot de stabilité dans la région des super-lourds, l'apparition de nouveaux nombres magiques dans les noyaux exotiques, et la réponse d'un système finis aux excitations thermiques. / The covariant density functional (CDF) theory with a few number of parameters has been successfully employed to describe ground-state and excited-states of nuclei over the entire nuclear landscape for A > 12. It describes finite nuclear systems with a universal hadronic Lagrangian, which is solved considering the relativistic-Hartree-Fock-Bologuibov approach (RHFB). This model is also employed for the study of compact stars, since it can be extended to high densities where special relativity cannot be ignore. This model can also be extended to include the contribution of hyperons and as well as other exotic particles. In this work, the description and some predictions based on RHFB approach for nuclei under extreme conditions of mass, isospin and temperature are presented.In the first part, we explore the occurrence of spherical shell closures for superheavy nuclei, where shell closures are characterized in terms of two-nucleon gaps. The results depend slightly on the effective Lagrangians used, but the magic numbers beyond ^{208}Pb are generally predicted to be Z = 120 and 138 for protons, and N = 172, 184, 228, and 258 for neutrons. Shell effects are sensitive to various terms of the mean-field, such as the spin-orbit coupling, the scalar and the effective masses, as well as the Lorentz-tensor interaction. These terms have different weights in the effective Lagrangians employed, explaining the (relatively small) variations in the predictions. Employing the most advanced RHFB model, we founded that the nuclide ^{304}120 is favored as being the next spherical doubly-magic nucleus beyond ^{208}Pb.In the second part, we investigate the formation of new shell gaps in intermediate mass neutron-rich nuclei, and analyze the role of the Lorentz pseudo-vector and tensor interactions. Based on the Foldy-Wouthuysen transformation, we discuss in detail the role played by the different terms of the Lorentz pseudo-vector and tensor interactions in the appearance of the N=16, 32 and 34 shell gaps. The nuclei ^{24}O, ^{48}Si and ^{52,54}Ca are predicted with a large shell gap and zero (^{24}O, ^{52}Ca) or almost zero (^{48}Si, ^{54}Ca) pairing gap, making them candidates for new magic numbers in neutron rich nuclei. We find that the Lorentz pseudo-vector and tensor interactions induce very specific evolutions of single-particle energies, which could clearly sign their presence and reveal the need for relativistic approaches with exchange interactions.In the last part, we study the phase transitions and thermal excitations of both stable and weakly-bound nuclei. The predictions of various relativistic Lagrangians and different pairing interactions are discussed. The critical temperature of the pairing transition is found to depend linearly on the zero-temperature pairing gap, and this dependence is similar for a zero-range or a finite-range pairing interaction. The present calculations show interesting features of the pairing correlations at finite temperature, such as the pairing persistence and pairing re-entrance phenomena. Also, we analyze the thermal response of some nuclei.In conclusion, the work presented in this thesis shown interesting and new results for three of the most important questions in nuclear physics: the quest for a new island of stability in the superheavy region, the appearance of new magic numbers in exotic nuclei, and the response of finite-systems to thermal excitations.

Ce travail porte sur l'étude de systèmes mononucléaires produits dans des collisions d'ions lourds à grands (périphériques : Au+Au) et faibles (centrales : Xe+Sn et Gd+U) paramètres d'impact. Ces deux types de collisions nécessitent des sélections spécifiques pour isoler des sources en équilibre thermique. Sur les ensembles statistiques d'événements obtenus après ces sélections, on réalise des analyses mettant en évidence des signaux de transition de phases du premier ordre. Le premier concerne le comportement bimodal de la distribution du plus gros fragment (Z1), dans les collisions périphériques, que l'on relie à celui d'un paramètre d'ordre en appliquant une renormalisation sous la contrainte d'une distribution équiprobable de l'énergie d'excitation (E*). Après une comparaison avec l'ensemble canonique, nous en déduisons des informations sur la localisation de la zone de coexistence. Nous comparons ensuite les propriétés statiques et dynamiques des fragments produits par ces sources, en collisions centrales et périphériques. Les différences observées sur le nombre de fragments et l'asymétrie en charge des partitions trouvent une explication dans la présence ou non, lors de la formation des fragments, d'un champ de vitesse principalement lié à une expansion collective radiale. Nous effectuons une analyse du signal de fluctuations anormales d'énergies configurationelles et une recherche d'un signal fossile de décomposition spinodale sur les quasi-projectiles d'Au, pour ensuite établir une cohérence avec les signaux déjà observés pour le système Xe+Sn. Nous relions finalement le peuplement du diagramme E*- Z1 par les deux systèmes, à celui d'un diagramme de phases avec une délimitation de la zone de coexistence.