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L’étude des noyaux à la drip-line proton est un outil récent et puissant pour sonder la structure nucléaire loin de la vallée de stabilité. En particulier, le phénomène de radioactivité deux protons prédit théoriquement en 1960 a été découvert expérimentalement en 2002. Ce travail de thèse concerne une expérience réalisée au GANIL dans le but d’étudier la radioactivité 2pde 54Zn avec une chambre à projection temporelle, développée pour la détection individuelle de chaque proton et la reconstruction de leur trajectoire en trois dimensions. L’analyse des données a permis de déterminer les corrélations en énergie et en angle entre les deux protons.Celles-ci ont été comparées à un modèle théorique qui prend en compte la dynamique de la décroissance, permettant d’obtenir des informations sur la structure de l’émetteur. La statistique obtenue étant très faible, l’interprétation des résultats reste encore limitée mais ces résultats ouvrent de très belles perspectives sur les études futures des noyaux aux limites d’existence. / The study of nuclei at the proton drip-line is a recent and efficient tool to prove the nuclearstructure far from stability. In particular, the two proton radioactivity phenomenonpredicted in 1960 has been discovered in 2002. This PhD thesis concerns an experiment realisedat GANIL, in order to study the 2p radioactivity of 54Zn with a time projection chamber,developed for the individual detection of each proton and the reconstruction of their tracksin three dimensions. The data analysis allowed to determine the correlations in energy andangle between the two protons. They have been compared to a theoretical model, which takesinto account the dynamics of the emission, giving information about the structure of theemitter. However, due to the very low statistics, the interpretation of the results is limitedbut these results open very interesting prospects for further studies of nuclei at the limits ofthe existence.

La physique à la drip-line offre l'opportunité d'étudier les noyaux à la limite du paysage couvert par la physique nucléaire, où l'addition de nouveaux protons et neutrons ne peut plus être supportée. A l'approche de la drip-line, la structure même des noyaux se trouve modifiée par rapport aux plus stables. Les fermetures de couches classiques disparaissent et de nouveaux phénomènes surgissent, tels que la clusterisation et les halos. Dans ce travail, nous avons revisité la spectroscopie du noyau non-lié 10He par l'intermédiaire d'une réaction de transfert d'un proton 11Li(d,3He) à 50 AMeV étudiée par la méthode de masse manquante. Pour ce faire, nous avons utilisé le détecteur MUST2 sur la ligne RIPS du RIKEN Nishina center. La partie expérimentale de ce travail repose sur un dispositif novateur utilisant des détecteurs de silicium très fins. Pour la première fois, la mise en oeuvre de ces derniers en conjonction avec des détecteurs sensibles en position de haute granularité a été démontrée. L'approche par réaction de transfert conduit à des résultats très clairs sur la position du premier état résonant du 10He, trouvé dans ce travail à 1.4(3) MeV, en accord avec la plupart des précédents travaux expérimentaux. L'obtention pour la première fois d'un facteur spectroscopique permet de nous renseigner sur la nature du recouvrement <10He|11Li>, trouvé égale à 0.13(6). / Physics at the drip-line offer the opportunity to study nuclei at the limits of the nuclear landscape, where additional protons or neutrons can no longer be kept in the nucleus. In the vicinity of the drip-lines, the structural features of the nuclei change with respect to the more stable nuclei, the normal shell closure of particles disappear and new phenomena appear, such as clusterization and halo. In this work we have revisited the spectroscopy of the unbound 10He by means of the 11 Li(d,3 He) reaction at 50 AMeV studied in missing mass method with the MUST2 array at the RIPS beam line of RIKEN. The experimental part of this study rely on new detection set-up using very thin silicon detectors. For the first time, the effective operability of these detectors, in conjunction with high granularity position sensitive detectors, was proved. The transfer reaction approach led to clear results on the 10He first resonant state position, found in this work at 1.4(3) MeV, in agreement with most of the previous experimental works. The extraction of a spectroscopic factor for the first time shed light on the <10He|11Li> overlap, found to be 0.13(6).

La structure nucléaire en couches évolue en allant vers des régions de plus en plus exotiques de la carte des noyaux, et par conséquent, les nombres magiques conventionnels (8, 20, 28, 50, 82, 126) peuvent disparaître loin de la stabilité, tandis que de nouveaux nombres magiques peuvent apparaître. Le noyau de ⁷⁸Ni, avec 28 protons et 50 neutrons, est un des noyaux supposés doublement magiques les plus exotiques et est donc d'un grand intérêt. L'évolution de la fermeture de couche à Z = 28 en allant vers N = 50 peut être étudiée en sondant le caractère de particule individuelle des niveaux dans la chaîne isotopique de cuivre, ayant un proton de plus que le nickel. Ce travail porte sur le ⁷⁹Cu, à N = 50. Afin d'effectuer la première spectroscopie gamma en ligne des noyaux autour du ⁷⁸Ni, une expérience a été réalisée à la Radioactive Ion Beam Factory du RIKEN, au Japon. Le noyau de ⁷⁹Cu était produit par la réaction de knockout (p,2p) à partir d'un faisceau de ⁸⁰Zn envoyé sur le dispositif MINOS, une cible d'hydrogène liquide couplée à une TPC servant à reconstruire la trajectoire des protons. L'émission de rayons gamma subséquente était détectée en vol par le scintillateur segmenté DALI2. Les spectromètres BigRIPS et ZeroDegree permettaient, respectivement, une identification sans ambiguïté des noyaux entrants et sortants.Une procédure d'analyse basée sur des coïncidences gamma-gamma a permis de construire le premier schéma de niveau du ⁷⁹Cu, avec des états jusqu'à 4.6 MeV, et les résultats ont été comparés à des calculs de modèle en couches Monte Carlo. Les conclusions montrent que le noyau de ⁷⁹Cu est bien décrit en termes d'un proton de valence en dehors d'un cœur fermé de ⁷⁸Ni, ce qui implique le caractère magique de ce dernier. / The nuclear shell structure is evolving when going into more and more exotic regions of the chart of isotopes and consequently, the conventional magic numbers (8, 20, 28, 50, 82, 126) may disappear far from stability, while some new magic numbers can appear. The ⁷⁸Ni nucleus, with its 28 protons and 50 neutrons, is one of the most exotic supposedly doubly-magic nuclei, making it of great interest. The evolution of the Z = 28 gap towards N = 50 can be studied by probing the single-particle character of the states in the copper isotopic chain, having one proton more than nickel. This work focuses on Cu, at N = 50.In the aim of performing the first in-beam gamma-ray spectroscopy of nuclei in the close vicinity of ⁷⁸Ni, an experiment was carried out at the Radioactive Isotope Beam Factory of RIKEN, in Japan. The ⁷⁹Cu nucleus was produced through the (p,2p) knockout reaction from a ⁸⁰Zn beam sent on the MINOS device, a liquid-hydrogen target coupled to a TPC used for proton tracking. The subsequent gamma-decay was detected in-beam with the DALI2 scintillator array. The BigRIPS and ZeroDegree spectrometers allowed an unambiguous identification of the incoming and outgoing nuclei, respectively.An analysis procedure based on gamma-gamma coincidences permitted to build the first level scheme of ⁷⁹Cu, with levels up to 4.6 MeV, and the results were compared to Monte-Carlo shell-model calculations for interpretation. The conclusions show that the ⁷⁹Cu nucleus is well described in terms of a valence proton outside a closed ⁷⁸Ni core, implying the magic character of the latter.

Afin d'étudier les limites d'existence de la chaîne isotopique des azotes, une expérience a été menée au RIBF-RIKEN en utilisant le spectromètre SAMURAI couplé au détecteur de neutrons NEBULA. Les systèmes étudiés - 23N*, 24N et 25N ont été produits via des réactions de knockout de quelques nucléons ou de fragmentation à partir de faisceau secondaires de haute énergie (~250 MeV/nucléon). La méthode utilisée pour caractériser ces systèmes est celle de la masse invariante qui nécessite la cinématique complète des réactions étudiées. Pour interpréter les résultats, une simulation de la totalité du dispositif expérimental a été utilisée. L'étalonnage des détecteurs et les techniques d'analyse ont été testés en sondant l'état fondamental connu du 16B. Dans le cas du 23N, une étude de spectroscopie gamma en vol a permis de confirmer qu'il ne possédait pas d'état excité lié. Nous avons pu le sonder à travers 3 voies de réactions distinctes : Le knockout d'un proton du 24O, la fragmentation à partir du 27Ne et la diffusion inélastique. Dans tous les cas, nous avons observé une résonance l=0 à environ 3,5 MeV d'énergie d'excitation. Cette résonance a été interprétée, en s'appuyant sur des calculs de modèle en couche, comme le premier état excité du 23N de spin parité Jpi=3/2-. Dans l'ensemble des voies une seconde résonance possédant une énergie d'excitation d'environ 5 MeV était nécessaire pour décrire les spectres en énergie-relative fragment-neutron mesurés.Le 24N a été observé pour la première fois lors de notre expérience comme une résonance autour de 1,3 MeV au dessus du seuil d'émission neutron. Nous avons pu sonder ce système via 4 réactions, le knockout de deux ou trois protons respectivement du 26F et du 27Ne et des réactions de fragmentation à partir du 27F et du 28Ne. L'ensemble de ces spectres peut être ajusté à l'aide d'une résonance l=2. Des considérations théoriques simples nous suggèrent que cette dernière correspond au doublet 2-,1- prédit comme l'état fondamental du 24N par le modèle en couche.Le 25N a également été observé pour la première fois lors de notre expérience. Malgré une statistique relativement limitée, les spectres des réactions de knockout de deux et trois protons du 27F et 28Ne, montrent une structure claire environ 1,7 MeV au dessus du seuil d'émission de deux neutrons qui peut être identifiée comme l'état fondamental 1/2- prédit par le modèle en couche. / To study the most neutron-rich nitrogen isotopes an experiment has been undertaken at the RIBF-RIKEN using the SAMURAI spectrometer and NEBULA neutron array. The nuclei of interest - 23N*, 24N and 25N - were produced via nucleon knockout and fragmentation reactions from high-energy (~250 MeV/nucleon) secondary beams. The technique of invariant-mass spectroscopy, which requires the measurement in complete kinematics of the beam-like reaction products, was employed to characterise these unbound systems. In the case of the 23N, in-flight gamma-ray spectroscopy was performed and it has been possible to confirm that it has no bound excited states. Three reaction channels - the knockout of a proton from 24O, the fragmentation of 27Ne and inelastic scattering – were employed to search for unbound excited states. In all these channels, an l=0 resonance was observed at around 3.5 MeV excitation energy. This resonance is interpreted, through comparison with shell model calculations, as the Jpi=3/2- first excited state of 23N. In all channels, another resonance with an excitation energy of close to 5 MeV was necessary to fully describe the fragment-neutron relative energy spectra. The nucleus 24N was observed here for the first time as resonance-like peak some 1.3 MeV above the one-neutron decay threshold. Four reaction channels were investigated: the knockout of two and three protons from 26F and 27Ne, respectively, and fragmentation of 27F and 28Ne. All the relative energy spectra were consistent with the population of an l=2 resonance. Simple considerations suggest that this is the 2-,1- ground-state doublet predicted by the shell model. The nucleus 25N was also observed here for the first time. Despite the relatively limited statistics, both two-proton and three-proton removal from 27F and 28Ne, exhibited a clear structure some 1.7 MeV above the two-neutron decay threshold which, based on simple considerations, may be identified with the expected 1/2- ground state.

Im Rahmen der Arbeit wurden Experimente aus den Jahren 2008/09 für die Kerne 86Kr und 136Ba analysiert. Zur Auswertung mussten neben Photonenfluss- und Effizienzbestimmung auch Simulationen durchgeführt werden, welche die experimentellen Bedingungen widerspiegeln. Nicht am Kern gestreute Ereignisse und Detektorantwortfunktionen wurden mit Hilfe des Programmpaketes GEANT4 simuliert, um in den gemessenen Daten berücksichtigt zu werden. Daraus zeigt sich, dass neben diskreten Energiezuständen auch ein beachtlicher Teil des ermittelten Anregungsquerschnitts in einer Art Quasikontinuum aus unauflösbaren Peaks liegt. Die ermittelten Wirkungsquerschnitte werden mit Hilfe eines statistischen Ansatzes auf Verzweigung in mögliche Zerfallskanäle und auf Fütterung durch Zustände höherer Energie korrigiert.

La forme d’un noyau, ou la déviation de la distribution en masse par rapport à une forme sphérique, est une des propriétés fondamentales du noyau. Elle est gouvernée à la fois par des effets macroscopiques et microscopiques, tels que l'énergie de liaison donnée par le modèle de la goutte liquide ou la structure en couche du noyau, respectivement. L’étude de la forme des noyaux exotiques par spectrométrie gamma permet de tester finement différents modèles théoriques initialement développés pour les noyaux stables. L’objectif de cette thèse est l’étude de l’évolution de la forme des noyaux exotiques riches en neutrons dans les chaînes isotopiques allant du Zr (Z=40) au Pd (Z=46). Le plus souvent, la forme des noyaux évolue lentement de la forme sphérique, près des fermetures de couche ou des noyaux magiques (ou doublement magiques), à des formes allongées (prolate), pour des noyaux avec de nombreux nucléons de valence. Cependant, Les noyaux auxquels nous nous intéressons ont tendance à avoir des états excités qui évoluent rapidement en fonction du nombre de neutrons, ce qui peut être interprété comme des variations rapides de la forme du noyau. Ceci inclue dans de rares cas l'observation d'états de forme aplatie (oblate) et triaxiale. Jusqu'à présent, les propriétés connues de ces noyaux se limitent (principalement) aux énergies d'excitation. Les informations sur le degré de collectivité nucléaire (que l'on peut déduire de la durée de vie des états excités) sont rares, tandis que les informations directes de forme sont pratiquement inexistantes. L'estimation la plus simple de la déformation nucléaire dans les noyaux pairs peut être obtenue à partir de l'énergie du premier état 2⁺. Pour les isotopes du Sr (Z = 38) et du Zr (Z = 40), il a été observé que cette énergie diminue considérablement à N = 60, alors que son évolution est beaucoup plus progressive pour les isotopes du Mo (Z = 42). Des mesures précises de durée de vie constituent un élément clé de l'étude systématique de l'évolution de la déformation nucléaire et du degré de collectivité dans cette région. Des noyaux riches en neutrons dans la région de masse A = 100-120 ont été peuplés par la réaction de fusion-fission d'un faisceau de ²³⁸U à 6,2 MeV/u sur une cible ⁹Be. Le noyau composé ²⁴⁷Cm était produit à une énergie d'excitation de ∼45 MeV avant de fissionner. Le dispositif expérimental utilisé pour cette étude comprenait le spectromètre de masse de haute résolution VAMOS pour l'identification les noyaux en Z et A, le réseau de 35 détecteurs au germanium AGATA (Advanced γ-ray Tracking Array) AGATA, pour la spectroscopie de rayons γ, ainsi qu'un mécanisme de "plunger" pour mesurer la durée de vie jusqu'à quelques ps par la méthode RDDS (Recoil Distance Doppler Shift). De plus, la cible était entourée de 24 détecteurs LaBr₃ (Bromure de lanthane) pour mesurer des durées de vie plus de 100 ps avec la méthode du "fast-timing". La combinaison de spectromètres sophistiqués utilisée dans cette expérience a permis de mesurer des durées de vie d'états nucléaires allant de 100 picosecondes à quelques picosecondes. Dans cette thèse, nous exposerons de nouveaux résultats pour les états à courte durée de vie dans les noyaux riches en neutrons A∼100, en mettant l'accent sur les chaînes des Zr, Mo et Ru. Nous discuterons des techniques expérimentales utilisées pour évaluer les durées de vie ainsi que l'interprétation de celles-ci à l'aide de modèles de structures nucléaires récents. / The shape of an atomic nucleus, ie. the deviation of its mass distribution from sphericity, is a fundamental property and governed by a delicate interplay of macroscopic and microscopic effects, such as the liquid-drop like binding energy and the nuclear shell structure, respectively. Studying nuclear shape properties using gamma ray spectroscopic methods allows detailed tests of different nuclear models, which were originally developed for stable nuclei. We proposed a project to study the evolution of nuclear shapes in exotic nuclei, far from the valley of stability, specifically in neutron-rich nuclei in the isotopic chains from Zr (Z=40) to Pd (Z=46). Usually, nuclear shapes are slowly evolving from spherical shapes around closed-shell or (doubly-) magic nuclei to elongated (prolate) shapes in nuclei with many valence nucleons. The nuclei of interest, however, show rapidly evolving patterns of excited states, which can be interpreted as rapid variations of the nuclear shape, including the rare observation of oblate (disk-like) and triaxial shapes. So far the known properties for these nuclei are (mainly) limited to excitation energies. Information on the nuclear collectivity, which can be deduced from the lifetime of the excited states, are sparse, while direct information of the shape is practically non existing. The simplest estimate of nuclear deformation in even-even nuclei can be obtained from the energy of the first 2⁺ state. For Sr (Z = 38) and Zr (Z = 40) isotopes this energy is observed to decrease dramatically at N = 60, while its evolution is much more gradual in Mo nuclei (Z = 42). Precise lifetime measurements provide a key ingredient in the systematic study of the evolution of nuclear deformation and the degree of collectivity in this region. Neutron-rich nuclei in the mass region of A = 100-120 were populated through the fusion-fission reaction of a ²³⁸U beam at 6.2 MeV/u on a ⁹Be target. The compound nucleus ²⁴⁷Cm was produced at an excitation energy of around 45 MeV before undergoing fission. The setup used for this study comprised the high-resolution mass spectrometer VAMOS in order to identify the nuclei in Z and A, the Advanced gamma ray Tracking Array AGATA of 35 germanium detectors to perform gamma ray spectroscopy, as well as a plunger mechanism to measure lifetimes down to a few ps using the Recoil Distance Doppler Shift method (RDDS). In addition, the target was surrounded by 24 Lanthanum Bromide (LaBr₃) detectors for a fast-timing measurement of lifetimes longer than 100 ps. The sophisticated set of spectrometers used in this experiment allowed measurement of nuclear lifetimes in a range from 100’s of picoseconds down to a few picoseconds. In this thesis, we will report on new lifetime results for short-lived states in neutron-rich (A ~ 100) nuclei, with an emphasis on the Zr, Mo and Ru chains. We will discuss the experimental techniques used to evaluate the lifetimes as well as their interpretation in terms of state-of-the-art nuclear structure models.

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