La structure nucléaire des noyaux de la couche sd a été bien étudiée expérimentalement à proximité de la ligne de stabilité et, plus récemment, l'intérêt a porté sur les noyaux riches en neutrons. Les états normaux de parité positive sont bien décrits à l'aide de l'interaction USD dans l'espace sd (espace 0ħω) avec un cœur de 16O. Cette interaction a été récemment réajustée et les nouveaux Hamiltonians obtenus sont appelés USDA et USDB. Les spectres expérimentaux montrent l'existence, en plus des états normaux, d'un ensemble d'états de parité négative nommé "états intrus", résultant de l'excitation d'un nucléon de la couche p vers sd, pour les noyaux près de 16O ou de la couche sd vers pf pour les noyaux proches de 40Ca. Au milieu de la couche sd il y a compétition entre les deux types d'excitations pour les intrus. Avant notre travail, il n'existait pas de description unifiée des états de parité négative à travers toute la couche sd. Pour étudier les états intrus, nous avons élargi l'espace modèle de l'espace sd (cœur 16O) à l'espace complet p-sd-pf (cœur 4He) appelé espace 1ħω. Cela nécessite la construction d'une nouvelle interaction compatible avec cette extension de l'espace modèle. Cette procédure est maintenant possible en raison de l'augmentation de la puissance de calcul. Nous avons ainsi mis au point pour la première fois une interaction 1ħω appelée PSDPF, qui comporte cinq parties distinctes: p, sd et pf en plus des termes croisés p-sd et sd-pf. Les trois interactions fixes pour p, sd et pf sont respectivement: CK, USDB et SDPF-NR, cette dernière contient également les éléments de matrice à deux corps sd-pf, l'interaction p-sd est considérée comme étant l'interaction PSDT. Nous avons modifié les contributions p-sd et sd-pf pour reproduire l'évolution en énergie des états intrus de différents spins à travers toute la couche sd. Cette nouvelle interaction a été utilisée pour calculer les états intrus dans les noyaux sd avec N = Z et Z + 1. Les spectres en énergie des états + et - dans tous les noyaux sd ont aussi été calculés. La comparaison expérience-théorie montre un très bon accord et donne ainsi du crédit à notre nouvelle interaction proposée pour décrire les états intrus de la couche sd. Des états de parité - ont été attribués certains niveaux de Jπ inconnus. Les probabilités de transitions électromagnétiques réduites E2 et E3 des premiers états de parité + et -, avec Jπ = 2+ et 3- dans les noyaux pair-pairs, ont été également calculées et les charges effectives pour les transitions E3 ont été étudiées pour la première fois.

Dans un système nucléaire, chaque nucléon est soumis aux forces nucléaires exercées par les autres. L'état fondamental témoigne de la nature des interactions. La fonction d'onde d'un noyau est une mesure de la probabilité d'une géométrie particulière. De ce fait, elle montre une image illustrative des structures géométriques à l'intérieur du noyau. La connaissance des géométries de la matière nucléaire dans des états quantiques spécifiques aide à comprendre la structure et les interactions nucléaires, fournit une validation théorique et permet une prédiction des résultats expérimentaux. Cette thèse porte sur les géométries des systèmes à deux et à quatre particules identiques, en particulier celles résultant du caractère attractif et à courte portée d'interactions nucléaires. Pour les systèmes à deux particules couplées à un moment angulaire arbitraire, on trouve des configurations spatiales et angulaires distinctes liées aux nombres quantiques, ce qui est expliqué analytiquement. L'application au 6He, un noyau halo Borroméen, avec d'abord l'interaction et ensuite l'interaction d'appariement montre la coexistence de la configuration di-neutron et de la cigare, avec une prédominance de la première sur la dernière. Quant aux systèmes à quatre particules, 8He est étudié comme prototype. L'expression de la densité de probabilité angulaire est déduite analytiquement pour un état 0+ général. Les configurations avec la densité de probabilité angulaire maximale entrent dans deux catégories de géométries avec des symétries spécifiques, ce qui peut être considéré comme la généralisation des géométries d'un système à deux particules à celles d'un système à quatre particules.

L'étude de la réaction 238U + 64Ni 'a 6,6 MeV par nucléon nous a permis d'identifier des rayons X caractéristiques de l'élément Z = 120. Ces X caractéristiques ont été trouvés en coïncidence avec des fragments de fission des noyaux composés de 120 protons formés au cours de la réaction. La multiplicité de ces rayonnements rend possible l'extraction des informations sur la probabilité de formation par fusion dans la réaction étudiée du noyau de Z = 120 ainsi que sur le temps de fission de ce noyau.

Ce travail vise à démontrer la faisabilité d'un dosimètre opérationnel neutrons basé sur la technologie CMOS. Le capteur utilisé (MIMOSA-5) doit pour cela être transparent aux γ et pouvoir détecter les neutrons sur une large gamme d'énergie en gardant évidemment une bonne efficacité de détection. La réponse du système de détection, constitué du capteur CMOS adjoint d'un matériau convertisseur (polyéthylène pour les neutrons rapides, 10B pour les neutrons thermiques), a été confrontée à des si-mulations Monte Carlo effectuées avec MCNPX et GEANT4. Un travail de validation de ces codes a préalablement été effectué pour justifier leur utilisation dans le cadre de notre application. Les expériences nous permettant de caractériser le capteur ont été menées au sein de l'IPHC ainsi qu'à l'IRSN/LMDN (Cadarache). Les résultats de l'exposition du capteur à des sources de photon pures et à un champ mixte n/γ (source 241AmBe) montrent la possibilité d'obtenir un système transparent aux γ par application d'une coupure appropriée sur le dépôt d'énergie (aux alentours de 100 keV). L'efficacité de détection associée est très satisfaisante avec une valeur de 10-3, en très bon accord avec MCNPX et GEANT4. La réponse angulaire du capteur a été étudiée par la suite à l'aide de la même source. La dernière partie de cette étude traite de la détection des neutrons thermiques (de l'ordre de l'eV). Les expériences ont été menées à l'IRSN sur une source de 252Cf modérée à l'eau lourde. Les résultats ob-tenus ont montré une très bonne efficacité de détection (allant jusqu'à 6×10-3 pour un convertisseur do-pé au 10B) en très bon accord avec GEANT4.

L'utilisation conjointe d'une théorie où l'énergie est écrite comme une fonctionnelle de la densité et du mélange de configuration, permet de décrire précisément les propriétés des états nucléaires. Les contributions spurieuses observées récemment ont mis en évidence la nécessité de corriger les énergies et soulignent le manque de fondements théoriques associé aux brisures et aux restaurations de symétries dans une approche fonctionnelle. Dans cette thèse, des théories alternatives permettant de briser puis de restaurer la conservation du nombre de particules pour décrire les corrélations d'appariement, ont été proposé. Ainsi, l'énergie peut s'écrire comme une fonctionnelle d'un état de vide de quasi-particule projeté et peut être reliée à celle obtenue à l'aide du mélange de configurations. Cette approche est appliquée soit pour faire des projections après ou avant l'application du principe variationnel et montre une très grande flexibilité par rapport aux méthodes standards. En particulier, il est possible d'utiliser des interactions effectives très générales. Une application à la chaîne isotopique des Kryptons démontre à la fois la faisabilité et l'amélioration du traitement de l'appariement dans les noyaux proches de la magicité. Dans un second temps, une théorie où l'énergie est directement écrite comme une fonction des nombres d'occupation et des orbitales naturelles, est proposée. Cette nouvelle fonctionnelle est validée dans le cas d'un Hamiltonien de pairing exactement soluble. Le pouvoir prédictif de cette approche est démontré dans des conditions diverses de l'intensité de l'appariement, des espacements des énergies à un corps et de nombre de particules.

Les moments magnétiques peuvent donner des détails sur la structure nucléaire et sur la composition de la fonction d'onde du noyau, tout spécialement si le caractère de particule indépendante du noyau est prépondérant. Pour cette raison, le moment magnétique du premier état excité du noyau radioactif riche en neutrons 72Zn a été mesuré au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL, Caen, France). Le résultat de l'expérience a confirmé les prédictions du modèle en couches, même si l'incertitude sur la mesure ne pouvait pas contraindre fortement les modèles. La mesure a été effectuée en utilisant la technique du champ transitoire (TF) et les noyaux d'intérêt ont été produits par fragmentation. Avant cette expérience, la technique TF à haute vitesse n'avait été utilisée qu'avec des projectiles allant jusqu'à Z=24. Ce fut donc la première fois qu'un moment magnétique d'un ion lourd avec Z >24 avait été mesurée à cette vitesse. Afin de développer la technique et de recueillir des informations sur l'interaction hyperfine qui agit entre les électrons et les noyaux polarisés, deux expériences ont été menées au Laboratorio Nationale del Sud (LNS, Catane, Italie). Dans cette thèse, je présenterai le développement de la technique TF à haute vitesse pour les expériences g(2+;72 Zn) et BTF (Kr, Ge). L'analyse des résultats et leur interprétation seront ensuite discutées.

Ma thèse se compose de deux parties indépendantes. Dans un premier temps, j'ai participé à la réalisation et à l'analyse d'une expérience réalisée au GANIL ayant pour but d'étudier l'évolution de la structure des isotopes du zinc riches en neutrons. Lors de cette expérience nous avons mesuré le temps de vie du premier état excité du 74Zn par méthode plunger. Le faisceau radioactif de 74Zn utilisé (34 MeV/u) a été produit par fragmentation en vol et purifié avec la première moitié du spectromètre LISE. La seconde moitié du spectromètre a été utilisée pour l'identification du produit final de la réaction. Le multidétecteur EXOGAM couplé avec le dispositif plunger a permis la détection des photons g émis en vol et la mesure de temps de vie de l'ordre de quelques dizaines de picosecondes. Nous avons, après l'analyse des données, établi le temps de vie du premier état excité 2+ du 74Zn à t = 29(3) ps. En comparant cette mesure directe du temps de vie avec les résultats d'excitation coulombienne réalisée à ISOLDE [Wall 09], nous avons déterminé le moment quadripolaire du 74Zn. Cette mesure constitue la première contrainte sur la déformation des isotopes de zinc ayant plus de 40 neutrons (remplissant l'orbitale neutron g9=2). Durant la seconde partie de ma thèse, je me suis concentré à la réalisation et à l'analyse de deux expériences de transfert (120Sn(p; t)118Sn et 208Pb(p; t)206Pb) réalisées à iThemba LABs (Afrique du Sud). Ces deux expériences, utilisant la méthode de la masse manquante, avaient pour but d'identifier la Vibration Géante de Paires ou Giant Pairing Vibration (GPV). Ce mode collectif analogue à une résonance géante correspond à une excitation cohérente de paires au sein de la couche majeure suivant le niveau de Fermi. Cette résonance géante suggérée par de nombreux calculs théoriques (QRPA [Khan 09] et TDHFB [Avez 08]) reste, malgré les différents efforts visant à l'identifier [Craw 77], toujours sans preuve expérimentale. Ces deux expériences ont été réalisées dans les conditions idéales, quant à l'observation de la GPV : - un faisceau de protons à relativement faibles énergies (50 et 60 MeV), favorisant les états de faible spin, - un spectromètre (K600) utilisé à des angles faibles (7 et 0°), le transfert L=0 (vibration de paires) ayant un section efficace très piquée à 0°. Bien qu'ayant une nouvelle fois aucun indice clair de présence de GPV, nous avons pu établir une valeur maximale sur la section efficace de population dans le canal de transfert de deux neutrons de la GPV dans ces noyaux.

Mass measurements provide important information concerning nuclear structure. This work presents results from the pioneering Penning trap spectrometer Isoltrap at CERN-ISOLDE. High-precision mass measurements of neutron-rich manganese (58−66Mn) and krypton isotopes (96,97Kr) are presented, of which the 66Mn and 96,97Kr masses are measured for the first time. In particular, the mass of 97Kr was measured using the preparation trap and required the definition of a new fit function. In the case of the manganese isotopes, the N = 40 shell closure is addressed. The two-neutron-separation energies calculated from the new masses show no shell closure at N = 40 but give an estimation of the proton-neutron interaction (around 0.5 MeV) responsible for the increase of collectivity and nuclear deformation in this mass region. The new krypton masses show behavior in sharp contrast with heavier neighbors where sudden and intense deformation is present, interpreted as the establishment of a nuclear quantum shape/phase transition critical-point boundary. The new masses confirm findings from nuclear mean-square charge-radius measurements up to N = 60 but are at variance with conclusions from recent gamma-ray spectroscopy. Another part of this work was the design of new decay spectroscopy system behind the Isoltrap mass spectrometer. The beam purity achievable with Isoltrap will allow decay studies with and detection coupled to a tape-station. This system has been mounted and commissioned with the radioactive beam 80Rb.

EURISOL sera la source de prochaine génération pour la production de faisceaux intenses d'ions exotiques. Son complexe accélérateurs se compose d'un linac primaire, des ensembles cibles et sources et d'un linac de post-accélération qui fournit les ions radioactifs aux différentes aires expérimentales. L'étude menée dans ce mémoire concerne l'accélérateur primaire : un linac RF supraconducteur capable d'accélérer plusieurs types d'ions (D+, 3He2+ et H

Les faisceaux d'ions radioactifs comme l'8He ouvrent de nouvelles perspectives pour étudier l'influence de nouveaux aspects structurels sur les mécanismes de réaction. Cette thèse présente les premières investigations sur les réactions induites par le noyau d'⁸He, faiblement lié et Borroméen, aux énergies autour de la barrière Coulombienne. La faible intensité des faisceaux d'ions radioactifs ( ˜ 10⁵pps ) nécessite le développement de techniques sensibles et sélectives. Une méthode expérimentale a été développée pour mesurer précisément les sections efficaces de fusion. Dans le système ⁸He+¹⁹⁷Au, les fonctions d'excitation de fusion et de transfert de neutron(s) ont été mesurées autour de la barrière. Les sections efficaces différentielles et intégrales pour la diffusion élastique, le transfert de neutron(s) et la fusion ont également été obtenues dans le système ⁸He+⁶⁵Cu à partir de mesures inclusives et exclusives des rayons γ caractéristiques, des particules chargées et des neutrons. Ces résultats expérimentaux et les calculs en voies couplées illustrent l'interconnexion des différents processus. Cette étude permet de comprendre l'influence de la structure interne de l'⁸He sur l'effet tunnel et le transfert de neutron(s) et met en évidence un comportement inattendu au sein de la chaîne isotopique des Héliums. L'étude systématique des fonctions d'excitation de fusion montre que, contrairement aux attentes, l'augmentation de la probabilité de l'effet tunnel sous la barrière Coulombienne associée à la structure interne des noyaux est beaucoup plus importante pour les noyaux "normaux" que pour les noyaux légers "exotiques" faiblement liés.