Le sujet de cette thèse est l'étude et la conception d'un refroidisseur radiofréquence à gaz-tampon pour des faisceaux de haute intensité. Ce projet s'inscrit dans le cadre de la prochaine extension du GANIL, Spiral2 et de la future installation basse-énergie DESIR (« Désintégration, excitation et stockage d'ions radioactifs »). L'objectif est de réduire l'émittance des faisceaux de Spiral2 pour permettre à un séparateur haute-résolution d'en effectuer la purification, idéalement au niveau isobarique. Ce refroidisseur consiste en une structure quadrupolaire linéaire dans laquelle les ions sont confinés par des champs RF en opposition de phase à une énergie d'environ 100 eV. Un gaz léger, généralement de l'hélium, est injecté dans le quadrupole et, à chaque collision, l'ion perdra de l'énergie et sera finalement refroidi. La principale problématique de notre projet est la charge d'espace. En effet, les appareils existants sont capables de refroidir des courants de quelques dizaines de nanoampère quand nous aurons à faire face à des intensités de l'ordre du microampère ce qui accroitra la répulsion coulombienne entre les ions. Cela impose de produire de forts champs de confinement ce qui se traduit par des amplitudes RF élevés (≈ 10 kVpp) et un petit rayon interne (r0 ≈ 3 à 5 mm). Nous avons travaillé sur un premier prototype, SHIRaC-Phase1 (« Spiral2 High Intensity Radiofrequency Cooler »), ayant un rayon de 3mm, construit au CSNSM-Orsay et déplacé au LPC-Caen à la fin de 2007. Le principal effort en termes de R&D a porté sur la partie électronique. Un premier système, basé sur un circuit résonant LC, a été développé permettant de fournir jusqu'à 2500 Vpp entre 4.5 et 6.3 MHz. Dans ces conditions, nous avons vérifié que nous n'avions pas de fortes limitations dues aux décharges électriques entre nos électrodes. Avec ce dispositif, nous avons réduit l'émittance des faisceaux à 2 π.mm.mrad à 60 keV et la dispersion en énergie longitudinale à 146 meV. La transmission maximale en Sodium 23Na+ et en Rubidium 87Rb+ est de 25% avec une source à ionisation de surface dont la qualité du faisceau est meilleure que celle de Spiral2. Cela nous a incités à concevoir un nouveau refroidisseur avec une acceptance de 80 π.mm.mrad à 60 keV. Ce second prototype a un rayon interne plus grand (r0 ≈ 5 mm) et de nouveaux jeux d'électrodes à l'injection et à l'extraction. Les performances du système RF ont été améliorées pour atteindre des amplitudes de 7 kVpp pour des fréquences comprises entre 5.9 MHz et 7.3 MHz. Les exigences en termes de sécurité et de maintenance pour Spiral2 ont également été prise en compte.

Des calculs théoriques utilisant la méthode de champ moyen ont suggérée l'existence des formes du noyau avec la symétrie tétraédrique et/ou octraédrique dans la région des terres rares au voisinage des noyaux 156Gd et 160Yb. Dans les noyaux avec une symétrie tétraédrique pure, des transitions intra-bande E2 à bas spin dans des bandes de parité négative disparaissent ou sont très faibles. Ce travail est dédié à une recherche expérimentale de la symétrie tétraédrique dans le noyau 156Gd. Une expérience a été faite à Jyväskylä avec le multi-détecteur JUROGAM, sur la réaction de fusion - évaporation 154Sm(, 2n)156Gd. L'analyse des données, a établi les rapports d'embranchement de deux bandes de parité négative et a permis, par distribution angulaire, de connaître la nature d'une nouvelle transition. Les rapports d'embranchement obtenus sont comparables avec ceux des expériences précédentes et quelques limites supérieures ont été déterminées. L'absence de transitions à bas spin (I$^{pi}<9$) dans la bande de parité négative à spin impair a été confirmée. Ces résultats ont renforcé l'hypothèse d'une symétrie tétraédrique dans le noyau 156Gd. La spectroscopie gamma est l'outil majeure utilisé dans ce travail. Les principes ainsi qu'une étude de simulation réaliste sont détaillés dans ce manuscrit. La simulation avec des événements réalistes a été faite pour comparer la fonction de réponse de deux types de multidétecteurs EUROBALL et AGATA. Les résultats montrent que sous certain conditions la phase démonstrateur d'AGATA peut être utilisée pour la recherche d'événements rares.

Le principal axe de recherche depuis ma thèse a été l'étude des formes extrêmes du noyau avec un accent particulier sur la désexcitation des noyaux superdéformés. Depuis 2002, je me suis orientée vers l'investigation des propriétés des noyaux très lourds avec l'étude des premiers états excités et états isomériques des noyaux au delà du Fm. Dans les 2 cas, l'outil privilégié est la spectroscopie γ . C'est donc logiquement que je me suis investie dans la recherche et le développement associés à la nouvelle génération de multidétecteurs 4πγ : AGATA.

L'expérience ALICE au LHC va étudier dès 2010 le plasma de quarks et de gluons (QGP), état de la matière dans lequel les quarks et les gluons sont déconfinés. Le travail présenté ici a été effectué au sein de la collaboration ALICE, dans le but de préparer l'analyse des futures données expérimentales. Outre une approche théorique du QGP et de la symétrie chirale, nous y développons trois aspects expérimentaux : le sous-détecteur V0, l'étude des mésons de basses masses et la déconvolution. Tout d'abord, nous détaillons les mesures de luminosité et de multiplicité réalisables avec le V0. Ensuite, nous développons l'étude des dimuons dans le spectromètre à muons. Nous nous concentrons en particulier sur les mésons de basses masses : le rho, le omega et le phi. Enfin, nous présentons une façon d'améliorer les données du spectromètre : la déconvolution de Richardson-Lucy.

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la technique de l'ionisation résonante (qui consiste à ioniser un atome par faisceaux laser) que nous avons appliqué dans deux domaines importants en physique nucléaire : la production sélective de faisceaux d'ions radioactifs exotiques et l'étude de leurs propriétés dans le cadre d'une expérience de spectroscopie laser sur les isotopes de tellure. <br /><br />La naissance du projet ALTO (Accélérateur Linéaire auprès du Tandem d'Orsay) à l'IPN d'Orsay a fait émerger l'idée d'installer une source d'ions laser. A cet effet, une étude de faisabilité a été entreprise avec une installation laser à faible cadence (30 Hz) celle-ci devant être étendue à 20 kHz sur la future installation de faisceaux radioactifs (ALTO). Après un premier faisceau d'étain ionisé avec succès par cette source, nous avons poursuivi l'étude avec un faisceau de cuivre. Nous avons d'abord effectué des tests de schémas d'ionisation du cuivre stable : un schéma vers le continuum et deux schémas vers des états autoionisants voisins. Le schéma le plus efficace commence par une étape d'excitation de longueur d'onde λ1 = 249.2 nm suivie d'une longueur d'onde d'ionisation λ2 = 439.92 nm. Celle-ci correspond à un état autoionisant situé à 62845 cm-1 non connu auparavant et voisin des deux autres états autoionisants sélectionnés au départ. L'efficacité d'ionisation laser avec ce schéma a été mesurée et elle est semblable à celle prédite par la théorie. <br /><br />L'ionisation résonante par faisceaux laser est également utilisée dans des expériences de spectroscopie auprès de COMPLIS à ISOLDE au CERN. La technique dans ce cas consiste à effectuer un balayage en fréquence autour de la transition d'excitation des atomes pour sonder leur structure hyperfine. Cette étape sera suivie de l'étape d'ionisation pour ioniser les atomes et les détecter. La spectroscopie laser nous permet de déterminer la structure hyperfine et le déplacement isotopique des atomes. Nous avons utilisé cette technique pour étudier les isotopes de tellure sur une longue chaîne isotopique 125m, 127mg, 129mg, 131mg, 132, 133mg, 134, 135 et 136Te. A partir des déplacements isotopiques mesurés nous avons déterminé la variation du rayon carré moyen de charge qui fait apparaître une rupture de pente du rayon de charge à N = 82 : la déformation du noyau diminue jusqu'à N = 82 où elle atteint la sphéricité puis elle augmente au-delà. <br />La mesure de la structure hyperfine des isotopes impairs de tellure nous a permis de déterminer les constantes de structure hyperfine des isotopes 135 et 133 dans leur état fondamental (Iπ = 7/2- et 3/2+ respectivement) et des isotopes 125, 127, 129, 131 et 133 dans leur état isomérique (Iπ = 11/2-). A partir de ces constantes nous avons extrait les moments nucléaires : µI et Qs. La comparaison des valeurs des moments magnétiques µI expérimentales avec les valeurs de moments existantes dans la littérature mesurées par résonance magnétique nucléaire nous donne un parfait accord.<br />L'extraction des valeurs des déformations à partir des moments quadrupolaires spectroscopiques en supposant une symétrie axiale conduit à une quasi sphéricité pour tous ces noyaux. Malgré les grandes barres d'erreurs, elles sont semblables aux valeurs des moments quadrupolaires des isotopes d'étain.

Les résonances géantes monopolaire (GMR) et quadrupolaire (GQR) isoscalaires ont été mesurées dans le 56Ni, grâce à une expérience de diffusion inélastique de deutons de 50 A.MeV réalisée au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds. Il s'agit de la première observation de ces modes collectifs dans un noyau à courte durée de vie. Le faisceau secondaire était envoyé dans la cible active Maya remplie de deuterium gazeux pur. Les deutons de recul étaient détectés par Maya et, pour les plus énergétiques (E≥2MeV), par un mur de neuf détecteurs en silicium. La GMR et la GQR sont centrées à 19.3(0.5) MeV et 16.2(0.5) MeV. Les distributions angulaires correspondantes ont été mesurées entre 3 et 7 degrés dans le centre de masse. Une analyse DWBA utilisant des densités de transition RPA a montré que la GMR et la GQR épuisent respectivement 136(27) % et 76(13) % de la règle de somme pondérées en énergie.<br /><br />Un modèle Hartree-Fock-Bogoliubov à température finie a été mis au point pour décrire les dix cellules de Wigner-Seitz composant l'écorce interne des étoiles à neutrons et calculer microscopiquement leur chaleur spécifique. Les calculs ont été réalisés en utilisant deux forces d'appariement de contact : une force reproduisant les propriétés d'appariement obtenues dans l'approximation BCS et une force simulant les effets d'écrantage du milieu. En faisant l'hypothèse d'un scénario de refroidissement rapide du cœur et une température initiale de 100 keV dans l'écorce, le temps de refroidissement de l'étoile a été estimé à 9 et 34 ans respectivement.

Le coupleur de puissance utilisé pour les cavités supraconductrices de la section haute énergie du Linac de EUROTRANS doit transférer 150kW de puissance RF au faisceau de protons. Les pertes RF par effet Joule et diélectriques dans les différents éléments du coupleur (conducteur interne, conducteur externe et fenêtre) opérant à cette puissance sont relativement élevées. Par conséquent, il est nécessaire de le refroidir efficacement afin d'assurer un fonctionnement stable et fiable du système d'accélération (coupleur–cavité). Après avoir évaluer toutes les pertes dans le coupleur, les calculs thermiques et les résultats des simulations numériques ont permis de dimensionner et valider le circuit de refroidissement du conducteur interne. Nous avons également conçu, dimensionné et optimisé le circuit de refroidissement du conducteur externe en spécifiant ses caractéristiques hydrauliques et thermiques. Ensuite, nous avons mis en oeuvre et réalisée avec succès une expérience dédiée à l'étude de l'interaction thermique entre la cavité et le coupleur de puissance. Le principal résultat de cette expérience est la mesure expérimentale de la charge thermique critique que peut supporter la cavité sans dégradation sensible de ses performances RF. La valeur de la charge thermique critique mesurée, qui est comprise entre 3W et 5W, constitue un critère essentiel pour qualifier les performances de l'échangeur du conducteur externe qui utilise l'hélium supercritique comme fluide réfrigérant. Enfin, une station d'essai, destiné à la qualification de l'échangeur du conducteur externe dans des conditions similaires à celles de son fonctionnement dans le cryomodule, a été conçue et réalisée avec succès. Les résultats expérimentaux ont montré les excellentes performances thermiques de l'échangeur pour un fonctionnement à une puissance RF de l'ordre de ~750kW soit plus que cinq fois la puissance RF nominale 150kW. En effet, Le flux résiduel maximum mesuré pour une charge thermique de 127W, simulant les pertes RF dans le coupleur, est de 60mW. Par ailleurs, la comparaison entre les températures mesurées et calculées à l'aide d'un modèle thermique 2D axisymétrique a permis d'identifier un coefficient d'échange global pour différents débits. Enfin, une étude expérimentale préliminaire sur les instabilités thermohydrauliques de l'hélium supercritique, a été menée. Ainsi nous avons pu établir un diagramme de stabilité basé sur des paramètres adimensionnels. Ce diagramme montre clairement que nos données expérimentales sont en accord et complètent les données d'autres expériences similaires.

Le Silicon Strip Detector (SSD) est la quatrième couche de détecteur en silicium à micropistes double face de l'expérience STAR installée auprès du RHIC et complète le système de trajectographie interne. L'objectif de STAR consiste en l'étude de collisions d'ions lourds visant à mettre en évidence la formation d'un état déconfiné de la matière nucléaire, le Plasma de Quarks et de Gluons.<br />Une augmentation de la production de particules étranges, comme les particules K0-shorts, Λ, Ξ, Ω décroissant après le vertex primaire d'interaction en particules secondaires a été prédite comme signature de l'existence de cet état. La reconstruction précise de ces particules est alors nécessaire. Le SSD sera aussi important dans le cadre de la mesure de particules charmées via une identification directe topologique de la décroissance de ces particules. <br />Il a été conçu pour augmenter les capacités de trajectographie de STAR en permettant une meilleure connexion des traces reconstruites avec le <br />détecteur principal (TPC) et le détecteur de vertex interne (SVT).<br />Dans cette thèse, nous quantifierons l'apport du SSD à travers les collisions Cuivre Cuivre ayant eu lieu au RHIC en 2005.<br />L'étude des données simulées fournira aussi une comparaison nécessaire pour la compréhension des résultats.

La QCD sur réseau prédit la transition d'une phase hadronique vers le Plasma de Quarks et Gluons (PQG) pour des températures au-dessus de 10^{13} K. Pour le recréer en laboratoire, des collisions d'ions lourds ont été proposées. Dans cette optique, le LHC produira des collisions Pb-Pb à 5.5 TeV/u, qui seront étudiées notamment auprès de l'expérience ALICE. En particulier, son spectromètre à muons permettra d'examiner les sondes muoniques (quarkonia, beauté ouverte, ...). Les performances attendues de ce dispositif pour mesurer des muons et des dimuons sont ici discutées. Des techniques de factorisation sont employées pour différencier les contributions à l'efficacité globale. Les résultats indiquent que le détecteur devrait être capable de mesurer des muons jusqu'à pt~100 GeV/c avec une résolution proche de 10%. On montre que la production des bosons faibles pourra être mesurée pour la première fois dans des collisions d'ions lourds. Les distributions de muons simples en pt et de la masse invariante des dimuons sonderont le W et le Z. Comme les muons issus des décroissances de quarks b et c peupleront principalement le domaine intermédiare en pt de 5-25 GeV/c, les calculs de perte d'énergie des quarks lourds dans le milieu indiquent que le spectre devrait être supprimé d'un facteur 2-4 dans les collisions Pb-Pb les plus centrales 0-10% à 5.5 TeV. Néanmoins, pour pt > 35 GeV/c la production des bosons faibles predomine, et aucune suppression n'est attendue. Des estimations indiquent que le point de croisement entre des muons issus de b et de W diminuera en pt de 5 à 7 GeV/c dans les collisions Pb-Pb les plus centrales 0-10% à 5.5 TeV.

Cette thèse porte sur l'influence des énergies de correction de couches sur la désexcitation des noyaux superlourds. Pour cela, un nouveau code statistique, appelé Kewpie2, qui repose sur un algorithme original permettant d'avoir accès à de très faibles probabilités, a été développé. Les résultats obtenus avec Kewpie2 ont été confrontés aux données expérimentales sur les sections efficaces de résidus obtenus par fusion froide (Z=108 à Z=113) et par fusion chaude (Z=112, Z=114 et Z=116), ainsi qu'aux données sur les temps de fission (Z=114, Z=120 et Z=126). Des contraintes sur la structure microscopique des noyaux étudiés ont été obtenues par le biais des énergies de correction de couches. En ajustant les paramètres intrinsèques des modèles de fusion utilisés afin de reproduire les données sur les sections efficaces de fusion, cette étude a mis en évidence la nécessité de diminuer très fortement les énergies de correction de couches prédites par les calculs de Møller et Nix, lors de l'étude des sections efficaces de résidus aussi bien pour des noyaux produits par fusion froide que par fusion chaude. Par contre, lors de la confrontation des résultats de Kewpie2 aux données sur les temps de fission moyen, il convient plutôt de les augmenter. Un déplacement de la fermeture de couche proton prédite à Z=114 par les calculs de Møller et Nix vers des Z plus élevés permettrait d'expliquer ces conclusions opposées. Dans cette thèse, nous avons aussi mis en évidence l'influence significative de la prise en compte d'états isomériques pour les noyaux superlourds, sur le temps de fission.