L’émission de paires de neutrons par les noyaux riches en neutrons 18C et 20O (isotones N = 12) est étudié par réactions de knock-out d’un nucléon des faisceaux secondaires 19N et 21O, peuplant ainsi des états non liés jusqu’à 15 MeV au-dessus de leur seuil d’émission deux neutrons. L’analyse des corrélations des triples coïncidences fragment+n+n montre que la décroissance 19N(−1p)→18C → 16C+n+n est clairement dominée par l’émission directe de paires. Les corrélations n-n, les plus grandes jamais observées, suggèrent la prédominance d’un coeur de 14C entouré de quatre neutrons arrangés en paires très corrélées. De plus, une importante compétition du mode de décroissance séquentiel est observée dans la décroissance 21O(−1n) → 20O → 18O+n+n, interprétée par la déformation causée par le knock-out d’un neutron très lié ayant pour effet de casser le cœur de 16O et ainsi de réduire le nombre de paires.De plus, les états non liés du 26F et 28F sont étudiés. Les deux systèmes étant peuplés par knock-out d’un nucléon du 27F dans le cas du 26F et du 29Ne ou du 29F pour 28F. Cinq états ont été observés pour 26F avec en particulier l’état de plus basse énergie (0.39 MeV) identifié comme l’état 3+ résultant du couplage d5/2 ⊗ d3/2 . Pour 28F, cinq états ont aussi été observés et l’état fondamental (200 keV) a été identifié comme étant de parité négative, plaçant ainsi 28F dans l’îlot d’inversion. / The emission of neutron pairs from the neutron-rich N = 12 isotones 18C and 20O has been studied by high-energy nucleon knockout from 19N and 21O secondary beams, populating unbound states of the two isotones up to 15 MeV above their two-neutron emission thresholds. The analysis of triple fragment-n-n correlations shows that the decay 19N(−1p) → 18C → 16C+n+n is clearly dominated by direct pair emission. The two-neutron correlation strength, the largest ever observed, suggests the predominance of a 14C core surrounded by four neutrons arranged in strongly correlated pairs. On the other hand, a significant competition of a sequential branch is found in the decay 21O(−1n) → 20O → 18O+n+n, attributed to its formation through the knockout of a deeply-bound neutron that breaks the 16O core and reduces the number of pairs.Moreover, unbound states in 26F and 28F have been studied. The two systems were probed using single-nucleon knockout reaction from secondary beams of 27F respectively in the case of 26F, and 29Ne and 29F for 28F. Five possible states have been identified in 26F, with in particular the lowest energy one (0.39 MeV) being identified as the 3+ state resulting from the d5/2 ⊗ d3/2 coupling. In the case of 28F, five unbound state have also been observed and in particular its ground state (200 keV) has been identified as a negative parity state, meaning that 28F is located inside the island of inversion.

Lors d'une collision entre un nucléon et un noyau cible, différentes réactions peuvent se produire, comme les diffusions élastique et inélastique du nucléon, l'échange de charge ... Afin de décrire ces réactions, différents modèles sont utilisés : les modèles de réactions directes, de pré-équilibre et de noyau composé. Le but de ce travail de thèse est d'étudier dans une approche quantique sans paramètre ajustable, les réactions directes et de pré-équilibre pour des diffusions de nucléons sur des noyaux à couches fermées. Une première étude concerne les réactions directes : nous décrivons les diffusions de nucléons en utilisant la matrice-G de Melbourne, représentant l'interaction entre le projectile et un nucléon de la cible, et les fonctions d'onde RPA qui décrivent les états du noyau cible. Cette approche est entièrement microscopique : aucun paramètre ajustable n'est utilisé. Dans la seconde étude, nous nous concentrons sur la diffusion inélastique de nucléons pour de grands transferts d'énergie, processus pour lequel le mécanisme de pré-équilibre prend de l'importance. Différents modèles ont été développés dans la passé pour tenir compte du mécanisme de pré-équilibre. Ils sont basés sur le développement de Born de l'amplitude de transition associée au processus inélastique et utilisent différentes hypothèses qui n'ont jamais vraiment été vérifiées. Nous avons réalisé quelques comparaisons de sections efficaces du second ordre calculées avec et sans les approximations invoquées par ces modèles. Ces études nous permettent de critiquer certaines de ces approximations et de définir quelques directions en vue d'améliorer les modèles quantiques de pré-équilibre.

Des calculs de type modèle en couches ont été réalisés dans un espace de valence 1¯hω complet pour les noyaux de la couche sd. Ces calculs ont permis pour la première fois de prédire la durée de vie des états de parité positive et négative des noyaux riches en neutrons de la couche sd. Les durées de vie prédites (1 - 100 ps) sont mesurables par la méthode de décalage Doppler différentiel.Le démonstrateur du détecteur γ européen de nouvelle génération, AGATA, en coïncidence avec le spectromètre magnétique PRISMA du LNL (Italie) et le plunger de l'Université de Cologne ont été utilisés pour mesurer les durées de vie des états excités dans 32,33Si et 35,36S. Les structures plus complexes, à n¯hω ont également été étudiées dans le 28Si. Ce dernier est un noyau important pour comprendre la compétition entre les structures de type champ moyen et les structures en agrégats. La réaction résonante de capture radiative d'ions lourds-légers 12C+16O a été réalisée à des énergies sous-coulombiennes. La décroissance γ complète depuis les résonances peuplées par laréaction jusqu'au niveau fondamental de 28Si a été mesurée pour la première fois à ces énergies et montre une forte alimentation d'états intermédiaires autour de 10 MeV. Les comparaisons avec des études de captures radiatives au-dessus de la barrière de Coulomb ont été effectuées et les résultats ont été interprétés en termes de l'alimentation favorisée d'états à isospin T = 1 dans le noyau autoconjugué 28Si.

Au cours des dernières décennies, des théories effectives des champs (TEC) ont été largement utilisées comme approche de la physique à interaction forte et à faible énergie (régimes nucléaires et hadroniques). Dans cette thèse, nous explorons en détail trois exemples d'applications du programme des TEC au système NN dans l'état de spin singulet (onde S et ondes périphériques respectivement) et aux molécules théorisées de mésons lourds DDs0* et D*Ds1*. / During the last few decades, effective field theories (EFT) have been widely used as an approach to low-energy strong-interacting physics (nuclear and hadronic regimes). In this thesis, we will explore in detail three examples of applications of the EFT program to the spin-singlet NN system (S wave and peripheral waves respectively) and to the theorized heavy-meson molecules DDs0* and D*Ds1*.

Les réactions de fusion-évaporation et de transfert de nucléons entre ions lourds à des énergies proches de la barrière de Coulomb jouent un rôle essentiel dans l’étude de la structure nucléaire et des mécanismes de réaction. Dans le cadre de cette thèse, deux expériences de fusion-évaporation et de transfert de nucléons ont été réalisées au Laboratoire National de Legnaro en Italie : 40Ca+58Ni et 40Ca+64Ni. Dans une première expérience, les sections efficaces de fusion de 40Ca+58,64Ni ont été mesurées à des énergies au-dessus et en dessous de la barrière de Coulomb et ont été interprétées à l’aide de calculs en voies couplées et Hartree-Fock dépendants du temps (TDHF). Les résultats montrent l’importance de l’excitation à un phonon octupolaire dans le noyau 40Ca et les excitations à un phonon quadripolaire dans les noyaux 58Ni et 64Ni, ainsi que l’importance des voies de transfert de nucléons dans le système riche en neutrons 40Ca+64Ni. Dans une expérience complémentaire, les probabilités de transfert de nucléons de 40Ca+58,64Ni ont été mesurées dans le même domaine d’énergie que l’expérience précédente et ont été interprétées en effectuant des calculs TDHF+BCS. Les résultats confirment l’importance des voies de transfert de nucléons dans 40Ca+64Ni. Une description conjointe des probabilités de transfert de nucléons et des sections efficaces de fusion a été réalisée pour les deux réactions étudiées en utilisant une approche en voies couplées. / Heavy-ion fusion-evaporation and nucleon transfer reactions at energies close to the Coulomb barrier play an essential role in the study of nuclear structure and reaction dynamics. In the framework of this PhD thesis, two fusion-evaporation and nucleon transfer experiments have been performed at the Laboratori Nazionali di Legnaro in Italy : 40Ca+58Ni and 40Ca+64Ni. In a first experiment, fusion cross sections for 40Ca+58,64Ni have been measured from above to below the Coulomb barrier and have been interpreted by means of coupled-channels and Time-Dependent Hartree-Fock (TDHF) calculations. The results show the importance of the one-phonon octupole excitation in the 40Ca nucleus and the one-phonon quadrupole excitations in the 58Ni and 64Ni nuclei, as well as the importance of the nucleon transfer channels in the neutron-rich system 40Ca+64Ni. In a complementary experiment, nucleon transfer probabilities for 40Ca+58,64Ni have been measured in the same energy region as the previous experiment and have been interpreted by performing TDHF+BCS calculations. The results confirm the importance of nucleon transfer channels in 40Ca+64Ni. A simultaneous description of the nucleon transfer probabilities and the fusion cross sections has been performed for both reactions, using a coupled-channels approach.

I - Sections efficaces de production de pions et de kaons<br />lors de collisions proton noyau de l'ordre du GeV<br /><br />L'étude des propriétés des hadrons dans la matière nucléaire est un sujet d'intérêt actuel. Les kaons chargés positivement possèdent un anti-quark étrange qui ne peut pas être réabsorbé et constituent donc une sonde intéressante du milieu nucléaire.<br />La première partie de cette thèse étudie les sections efficaces de production de pions et de kaons lors de collisions proton noyau pour une énergie incidente de l'ordre du GeV.<br />Dans un premier temps, le modèle de Dynamique Quantique Moléculaire utilisé pour simuler les collisions proton noyau est décrit. Puis, les sections efficaces totales des processus élémentaires implémentées dans le modèle sont présentées. Ensuite, les effets de la fonction spectrale du nucléon sur la production de pions et de kaons sont mis en évidence dans les sections efficaces doublement différentielles. Finalement, les conséquences des corrélations observées entre les nucléons du noyau sont discutées.<br /><br />II - Mesures de sections efficaces de production de particules chargées légères<br />lors de réactions induites par protons de 62,9 MeV sur cible de plomb<br /><br />Pour développer des options nouvelles de gestion des déchets nucléaires, des recherches sont menées sur les systèmes hybrides. La seconde partie de cette thèse s'inscrit dans le cadre des mesures de données nucléaires liées à la conception de tels systèmes. Un pouvoir prédictif suffisant des codes théoriques, de 20 à 150 MeV, nécessite de nouvelles mesures de sections efficaces pour les contraindre.<br />L'expérience réalisée a pour but de déterminer les sections efficaces de production de particules chargées légères (p, d, t, 3He, a) lors de réactions induites par protons de 62,9 MeV sur une cible de plomb 208Pb.<br />Le contexte général de cette partie est présenté en premier lieu. Puis, le dispositif expérimental composé de 7 télescopes triple (Si, Si, CsI(Tl)) est décrit. Les chapitres suivants sont consacrés au dépouillement des données (identification des particules, étalonnage des détecteurs) et à l'extraction des sections efficaces. Finalement, une étude comparative de nos résultats expérimentaux à ceux des codes théoriques est menée.

L'appariement est une composante indispensable à la description des noyaux atomiques. Ses effets sur les propriétés statiques du noyau sont à présent bien connus. Dans ce mémoire, l'effet de l'appariement sur la dynamique nucléaire est étudié. Différentes théories qui incluent l'appariement sont comparées dans un cas modèle. La théorie TDHF+BCS qui apparaît comme un bon compromis entre la richesse de la physique qu'elle contient et son coût numérique est retenue pour les applications aux noyaux. L'introduction de l'appariement dans cette approximation pose de nouveaux problémes liés à (1) la brisure de la symétrie associée au nombre de particules, (2) la non-conservation de l'équation de continuité. Ces difficultés sont analysées en détail et des solutions pratiques sont proposées. Dans cette thèse, un programme TDHF+BCS en 3 dimensions permettant de simuler la dynamique des noyaux a été d'eveloppé. L'application de cette théorie aux résonances géantes a montré que l'appariement n'affecte que les états excités de basse énergie. La composante collective de haute énergie n'étant modifiée que par les conditions initiales. Une étude complète des résonances géantes quadrupolaires a été réalisée pour plus de 700 noyaux sphériques ou déformés. Un bon accord est alors trouvé avec les données expérimentales pour l'énergie collective de la résonance. Cette théorie a ensuite été appliquée à l'étude des réactions de transfert de nucléons lors des collisions noyau-noyau. Une nouvelle méthode de détermination des probabilités de transfert est proposée. Il est montré que l'appariement augmente de manière significative les probabilités de transférer deux nucléons.

Des calculs de type modèle en couches ont été réalisés dans un espace de valence 1¯hω complet pour les noyaux de la couche sd. Ces calculs ont permis pour la première fois de prédire la durée de vie des états de parité positive et négative des noyaux riches en neutrons de la couche sd. Les durées de vie prédites (1 - 100 ps) sont mesurables par la méthode de décalage Doppler différentiel.Le démonstrateur du détecteur γ européen de nouvelle génération, AGATA, en coïncidence avec le spectromètre magnétique PRISMA du LNL (Italie) et le plunger de l’Université de Cologne ont été utilisés pour mesurer les durées de vie des états excités dans 32,33Si et 35,36S. Les structures plus complexes, à n¯hω ont également été étudiées dans le 28Si. Ce dernier est un noyau important pour comprendre la compétition entre les structures de type champ moyen et les structures en agrégats. La réaction résonante de capture radiative d’ions lourds-légers 12C+16O a été réalisée à des énergies sous-coulombiennes. La décroissance γ complète depuis les résonances peuplées par laréaction jusqu’au niveau fondamental de 28Si a été mesurée pour la première fois à ces énergies et montre une forte alimentation d’états intermédiaires autour de 10 MeV. Les comparaisons avec des études de captures radiatives au-dessus de la barrière de Coulomb ont été effectuées et les résultats ont été interprétés en termes de l’alimentation favorisée d’états à isospin T = 1 dans le noyau autoconjugué 28Si. / New large-scale shell-model calculations with full 1¯hω valence space for the sd-nuclei has been used for the first time to predict lifetimes of positive and negative parity states in neutron rich Si isotopes. The predicted lifetimes (1 - 100 ps) fall in the range of the differential Doppler shift method. Using the demonstrator of the European next generation γ-ray array, AGATA, in coincidence with the large acceptance PRISMA magnetic spectrometer from LNL (Legnaro) and the differential plunger of the University of Cologne, lifetimes of excited states in 32,33Si and 35,36S nuclei were measured. In a second step, the n¯hω structure in the stable 28Si nucleus was also studied. 28Si is an important nucleus to understand the competition between mean-field and cluster structures. It displays a wealth of structures in terms of deformation and clustering. Light heavy-ion resonant radiative capture 12C+16O has been performed at energies below the Coulomb barrier. The measured γ-spectra indicate for the first time at these energies that the strongest part of the resonance decay proceeds though intermediate states around 10 MeV. Comparisons with previous radiative capture studies above the Coulomb barrier have been performed and the results have been interpreted in terms of a favoured feeding of T = 1 states in the 28Si self-conjugate nucleus.

Ce travail de doctorat s'inscrit dans le cadre des techniques adaptées à la résolution du problème à N corps nucléaire. Il a été motivé par la perspective d'utiliser des méthodes allant au-delà de l'approximation de champ moyen pour améliorer la description des spectres d'excitation des noyaux stables et exotiques, notamment les états de basse énergie et les résonances géantes. À cette fin, l'approche choisie est le développement de modèles basés sur la second random-phase approximation (SRPA) utilisée avec une procédure de soustraction. Ces développements ont pour but d'étendre le champ d'applicabilité du modèle initial et d'inclure des corrélations dans l'état fondamental.Une première partie consiste en l'application de la SRPA avec une méthode de soustraction à l'étude de la réponse dipolaire (comprenant la polarisabilité électrique dipolaire) et quadrupolaire de noyaux de masse moyenne à lourds. Nous vérifions que la SRPA avec soustraction corrige les problèmes observés avec la SRPA standard et améliore la description des spectres d'excitation, comparativement à la random-phase approximation (RPA). Nous étudions également les effets au-delà du champ moyen dûs à la SSRPA avec soustraction, en exploitant la relation entre les modes de respiration axiaux des noyaux et la masse effective de la matière nucléaire.Une seconde partie est dédiée à des extensions.Premièrement, nous étendons les outils numérique initiaux en utilisant l'approximation equal-filling (EFA) afin de permettre les applications aux noyaux ayant une orbitale partiellement occupée. Nous proposons ensuite une méthode d'estimation partielle des effets d'appariement en utilisant des nombres d'occupation corrélés.Une étude des moyens de renormaliser la SRPA avec soustraction est menée en employant un modèle allant au-delà de l'approximation de quasiboson. Cette extension est également basée sur l'utilisation de nombres d'occupation comme moyen d'inclure des corrélations dans l'état fondamental. Nous montrons que les corrélations obtenues par le calcul itératif en RPA des nombres d'occupation ne sont pas suffisantes pour corriger les problèmes de la SRPA standard. / This Ph.D. work falls within the scope of theoretical techniques tailored to the solution of the nuclear many-body problem. It was motivated by the perspective of using beyond-mean-field methods to improve the description of excitation spectra of stable and exotic nuclei, especially the low-energy states and the giant resonances. The chosen path in this direction is the development of models based on the second random-phase approximation (SRPA) used with a subtraction procedure. These developments aim to extend the range of applicability of the initial model and to include correlations in the ground state.A first part consists in applying the SRPA used with a subtraction method to the study of the dipole and quadrupole response in medium to heavy-mass nuclei, including the electric dipole polarizability. We verify that the subtracted SRPA corrects the problems observed with the standard SRPA model and improves the description of excitation spectra compared to the random-phase approximation (RPA). We also study beyond-mean-field effects that arise in the subtracted SRPA by exploiting the relation between the axial breathing modes in nuclei and the effective mass in nuclear matter.A second part is dedicated to extensions.As a first step, we extend the initial numerical tools by employing the equal-filling approximation (EFA), to enable the applications to nuclei with partially-occupied orbitals. We next propose a method to estimate part of the pairing effects using correlated occupation numbers.A study of possible ways to renormalize the subtracted SRPA is carried out by employing a model which goes beyond the quasiboson approximation. This extension also relies on the use of occupation numbers as a means to include ground state correlations. We show that correlations obtained from the computation of occupation numbers in iterative RPA calculations are not sufficient to address the standard SRPA drawbacks.

La section efficace d'électroproduction de photons sur le nucléon est proportionnelle aux amplitudes au carré de diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) et du Bethe-Heitler ainsi qu'un terme d'interférence de ces deux processus. Sa mesure sur le neutron fut réalisée dans le cadre de l'expérience E08-025 qui s'est déroulée en 2010 dans le Hall A à Jefferson Lab (USA). Par une forte sensibilité au terme d'interférence, elle aura permis l'extraction de trois observables dépendantes des Distributions Généralisées de Partons (GPDs), ainsi que la perspective de séparer par une méthode Rosenbluth le terme |DVCS|².Les GPDs sont des fonctions de structure qui nous permettent de comprendre la structure interne des nucléons en terme de corrélation entre les distributions en position transverse et en impulsion longitudinale des quarks au sein du nucléon. Plus qu'un moyen d'accéder à une image tri-dimensionnelle de la composition élémentaire du nucléon, la détermination des GPDs du neutron permettrait par la règle de somme de Ji l'accès au moment angulaire des quarks dans le nucléon, la pièce manquante à la compréhension du mystère lié au spin du nucléon.Cette thèse aborde le contexte théorique de la mesure de la section efficace d'électroproduction de photons sur le neutron, puis une description de la configuration expérimentale utilisée pour sa réalisation. Elle expose la sélection des données d'intérêt pour cette mesure et présente les résultats obtenus par une méthode d'ajustement des données à une simulation Monte Carlo dont la démarche est expliquée en détails. Pour finir, une étude systématique des résultats achève ce manuscrit. / The photon electroproduction cross section off the nucleon is proportional to the deeply virtual Compton scattering (DVCS) and Bethe-Heitler amplitudes squared together with an interference term between these two processes. Its measurement on the neutron has been performed in the framework of the E08-025 experiment which took place in 2010 in Hall A at Jefferson Lab (USA). Thanks to a high sensibility to the interference term, it made possible the extraction of three Generalized Parton Distributions (GPDs) dependent observables, as well as the prospect to extract the |DVCS|² term through a Rosenbluth separation.The GPDs are structure functions which allow to understand the internal structure of nucleons in term of the correlation between transverse spatial and longitudinal momentum distributions of quarks inside the nucleon. More than a way to access a three-dimensional picture of the elementary arrangement of the nucleon, the measurement of GPDs on the neutron would give access by the Ji's sum rule to the angular momentum of quarks in the nucleon, the missing piece for the understanding of the nucleon spin puzzle.This thesis outlines the theoretical context of the measurement of the photon electroproduction cross section off the neutron, and the experimental setup used for its achievement. It describes the selection of the experimental data of interest for this measurement and presents the results obtained from a fitting method of data to a Monte Carlo simulation, which is explained in detail. Finally, a systematic study of the results completes this manuscript.