Le Réacteur à Sels Fondus (RSF) en cycle Th/U est un des concepts de nouvelle génération pour la production d'énergie nucléaire. Un RSF type se compose d'une structure en graphite, servant de modérateur, percé de canaux dans lesquels circule le sel fondu (^{7}LiF+ThF_{4}+UF_{4}). Les données neutroniques fondamentales pour les simulations numériques sont les sections efficaces de diffusion élastique d'un neutron sur des noyaux de carbone (\sigma_{C}), de fluor (\sigma_{F}) et de lithium 7 (\sigma_{Li}) dans le domaine épithermique. <br /><br />Le but de ce travail est de déterminer précisément \sigma_{C} et \sigma_{F} entre 1 eV et 100 keV. Ces mesures ont été réalisées auprès de la plate-forme d'Etude et de Recherche sur l'Electro-Nucléaire (PEREN) du Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble. Elle comprend un GEnérateur de NEutrons Pulsé Intense (GENEPI) produisant des neutrons de 2.5 MeV au centre de massifs ralentisseurs (C et CF_{2}). Des taux de capture sont obtenus, pour des échantillons composés de matériaux de référence (Au, Ag, Mo et In) placés dans les massifs, à l'aide d'un scintillateur YAP couplé à un photo-multiplicateur.<br /><br />Des simulations précises des expériences, avec le code MCNP, ont été réalisées et la comparaison entre la simulation et l'expérience a permis de déterminer \sigma_{C} et \sigma_{F} avec des précisions de 1% et 2% respectivement, mettant en évidence des écarts avec les données nucléaires évaluées (ENDF).<br /><br />Des mesures complémentaires des sections efficaces totales \sigma_{C} et \sigma_{F} à plus haute énergie (200 - 600keV) ont été effectuées au Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux par une méthode de transmission. Un faisceau de neutrons mono-énergétique est produit par des protons accélérés, dans un accélérateur Van De Graaff, sur une cible de LiF. Les neutrons transmis sont comptés par un détecteur proportionnel à hydrogène. Des écarts de 5% (C) et de 9% (F) par rapport à ENDF ont été mis en évidence.

Comme tout accélérateur de particules, le GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions<br />Lourds) doit être réglé et surtout surveillé en temps réel.<br /><br /><br />Cette surveillance du faisceau est obtenue par mesure de son intensité. Cette mesure<br />est assurée par des transformateurs d'intensité basses fréquences (TI-BF). Le mode de<br />fonctionnement de ces capteurs génère une perte de 9% de faisceau. De plus, ces capteurs<br />mesurent difficilement les faibles intensités.<br /><br /><br />De plus en plus à le recherche d'évènements rares, les physiciens réclament plus<br />d'intensités faisceau augmentant ainsi la probabilité d'apparition de ces évènements. Le projet<br />T.H.I. (Transport des Hautes Intensités) et le projet S.P.I.R.A.L. (Source de Production d'Ions<br />Radioactifs Accélérés en Ligne) prévoient des puissances de faisceau de 6KW, limitées à<br />400W en mode normal. A haute énergie de faisceau, de telles puissances peuvent engendrer<br />une détérioration matérielle. Les systèmes de sécurité doivent se déclencher instantanément.<br />Les TI-BF sensibles aux chocs mécaniques (basses fréquences) ne répondent pas à ces<br />exigences.<br /><br /><br />Les transformateurs d'intensité hautes fréquences (TI-HF) sont capables de mesurer les<br />paquets d'ions. Cette caractéristique permet de supprimer la perte de 9% de faisceau. De<br />même, leur temps de réponse répond aux exigences de déclenchement des sécurités. Enfin, les<br />TI-HF ont une dynamique supérieure aux TI-BF.

L'étude des effets isotopiques dans le processus de la multifragmentation du projectile spectateur a été effectuée en utilisant le spectromètre ALADiN auprès de l'accélérateur GSI à Darmstadt. Des réactions aux énergies relativistes avec des faisceaux stables d'197Au et 124Sn et des faisceaux radioactifs de 124La et 107Sn ont été utilisés pour couvrir une large gamme en masse et en N/Z. La mesure du vecteur moment et l'identification des fragments du projectile ayant une charge Z>1 entrant dans l'acceptance de l'aimant ALADiN ont été obtenues avec une grande efficacité et résolution en utilisant le dispositif ALADiN amélioré en association avec le détecteur de neutrons LAND. L'étude des propriétés globales de la multifragmentation a montrée une dépendance en N/Z en accord avec les prédictions du modèle statistique de la multifragmentation. L'effet pair-impair dans la multifragmentation du projectile spectateur a été investigé pour pouvoir trouver une interprétation à sa manifestation à hautes énergies d'excitation. Un accord qualitatif a été obtenu pour les mesures de la températures avec les précédentes données et les prédictions théoriques.

A l'instar des trois autres expériences auprès du collisionneur RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) du Brookhaven National Laboratory près de New York, STAR (Solenoidal Tracker At RHIC) est entièrement consacrée à la mise en évidence de cet état particulier de la matière nucléaire prédit par les calculs de QCD (Quantum ChromoDynamics) sur réseau : le plasma de quarks et de gluons (QGP pour Quark Gluon Plasma). Cet état, supposé être celui de l'Univers quelques fractions de secondes après le Big Bang, consisterait d'après sa définition originelle de 1975, en une matière dans laquelle quarks et gluons seraient déconfinés, sans interaction. Il pourrait être créé en laboratoire lors de collisions d'ions lourds réalisées à des énergies ultra-relativistes afin d'atteindre des températures et densités d'énergie extrêmes.<br />Après quasiment 20 ans de recherche auprès des différents accélérateurs de particules américains et européens, le CERN annonce le 10 février 2000 au cours d'une conférence de presse, la mise en évidence expérimentale d'un état particulier de la matière nucléaire, compatible avec la formation d'un QGP, sans pouvoir toutefois le caractériser pleinement. Les expériences du RHIC ont alors pris le relais. Aujourd'hui, au travers une pléthore de résultats nouveaux et parfois bien surprenants, il apparaît de façon de plus en plus certaine, qu'effectivement un état atypique de matière nucléaire a été créé à RHIC et notre vision du QGP comme un gaz parfait de partons n'interagissant que très faiblement, a depuis changé. Un nouvel acronyme a été défini : sQGP pour Strongly Interacting QGP. <br />Pour parvenir à cette observation, il a fallu passer par la caractérisation même de l'évolution des collisions d'ions lourds, du point de vue chimique et dynamique, en comparant les phénomènes des collisions d'ions lourds pour lesquelles les conditions devraient être réunies pour former un QGP à des collisions d'énergies moindres ou de systèmes plus légers qui ne peuvent permettre cette formation. Le QGP est en effet produit de manière beaucoup trop furtive pour pouvoir le sonder directement. Mon mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches présente les résultats des analyses que j'ai menées et qui ont contribué à la mise en évidence de la formation d'un état nouveau au RHIC et à cette nouvelle vision du plasma. Les stigmates du QGP ont été recherchés avec les particules contenant des quarks étranges : les résonances de particules simplement étranges et les baryons doublement étranges. <br />La production des résonances étranges Lambda(1520) apporte en effet des informations sur la phase d'hadronisation du plasma (lorsque les partons se recomposent en hadrons) : selon leur observation ou non, il pourrait être possible de caractériser le freeze-out chimique (instant où les interactions inélastiques cessent et la composition chimique du système est figée), le freeze-out cinétique (instant où les interactions élastiques cessent et les particules n'interagissent plus), si ces deux freeze-out coïncident ou si, au contraire ils sont séparés dans le temps et de combien. L'idée est la suivante : les Lambdas(1520) se désintègrent quasiment instantanément en un proton et un kaon. Par conséquent, si le temps entre les freeze-out chimique et cinétique est long, les produits de désintégration de ces particules peuvent être absorbés dans le milieu dense qui a été créé. En revanche, si les deux freeze-out coïncident ou sont très proches, les produits de désintégration ne sont pas affectés et la particule mère, c'est-à-dire la résonance, peut être identifiée. Ainsi, en mesurant les taux de production de ces particules dans les collisions proton–proton pour lesquelles les deux freeze-out coïncident, et en comparant les taux obtenus dans les collisions Au–Au, à l'énergie nominale du RHIC, il est apparu qu'effectivement, au moins 4 fm/c séparent les deux freeze-out dans les collisions Au–Au. Cette conclusion constitue une étape importante dans la compréhension des collisions d'ions lourds ultra-relativistes et du comportement de la matière dans des conditions extrêmes. Cette analyse est apparue comme originale au sein de la collaboration STAR, étant la première étude sur les résonances étranges. Des algorithmes spécifiques ont dû être mis au point et sont largement utilisés au sein de la collaboration qui depuis étudie de nombreuses autres résonances ou recherche des objets plus exotiques. <br />La production des baryons étranges a été largement investiguée les années passées car une augmentation « anormale » des taux de production est attendue si un QGP est formé. Les expériences du CERN ont observé effectivement une surproduction de l'étrangeté dans les collisions Pb–Pb mais n'ont pu conclure de manière décisive quant à une formation éventuelle d'un plasma car ces résultats pouvaient être également reproduits par des modèles de gaz de hadrons. Nous avons mené une analyse similaire avec les données de STAR en comparant les taux de production des Xi, baryons doublement étranges, dans les collisions proton–proton et Au–Au à sqrt(s_NN) = 200 GeV. Là aussi, les résultats sont demeurés ambigus. Ainsi, ces résultats ont conduit un certain nombre de physiciens à ne plus considérer les taux de production de particules étranges comme une signature robuste de la formation d'un QGP. En revanche, l'étrangeté est revenue sur le devant de la scène, de façon plus indirecte donnant des informations très diverses et sur les différentes étapes de la collision. <br />Les Xi ont révélé tout d'abord que le système créé à l'énergie nominale du RHIC serait en équilibre thermique et chimique et que les températures de freeze-out chimique sont proches de la température de déconfinement prédite par QCD. Nous avons également étudié les phénomènes dynamiques collectifs, appelés flot, qui naissent des interactions entre constituants et se traduisent par une émission de matière dans des directions privilégiées de l'espace de phase. En accord avec leurs faibles sections efficaces d'interaction, les Xi semblent émis bien plus tôt que les particules plus légères. Toutefois, le fait que ces baryons subissent un flot important, laisse supposer qu'elles auraient développé un flot, donc qu'elles auraient été soumises à des interactions, avant la phase d'hadronisation, autrement dit, dans une phase partonique. Les partons subiraient donc des interactions résiduelles, contrairement à ce que préconisaient les théoriciens du milieu des années soixante-dix.<br />Par ailleurs, en 2003, les quatre expériences du RHIC ont révélé conjointement la mise en évidence du phénomène de jet-quenching dans les collisions d'ions lourds : il traduit une diminution de la production de particules chargées de très haute impulsion transverse s'expliquant par la perte d'énergie des partons dans un milieu très dense. Nous avons réalisé cette analyse en considérant les X et montré que non seulement ces baryons subissent un jet-quenching mais aussi qu'ils ont un comportement différent de celui des mésons. Une dépendance des phénomènes dynamiques au type de particules a ainsi été mise en évidence en accord avec les modèles de coalescence préconisant que les hadrons se forment à partir de la recombinaison des quarks. Là aussi, émergence des partons comme degrés de liberté pertinents. <br />A partir de ces résultats entre autres, certains théoriciens affirment la découverte du QGP à RHIC mais les expérimentateurs sont plus prudents et désirent auparavant confirmer et enrichir leurs résultats par l'étude d'autres observables qui viendraient corroborer ces observations. Ces années ont été particulièrement stimulantes par l'évolution de nos connaissances grâce aux formidables résultats produits par les quatre expériences du RHIC. Les « vielles » signatures ont fait peau neuve se transformant en sondes nouvelles et riches en informations originales. La conception du QGP a évolué : il ne s'agit plus d'un gaz parfait constitué de partons évoluant librement mais d'un sQGP.

Le recours à l'énergie électronucléaire pour diminuer les émissions anthropiques de CO2 nécessite des avancées technologiques majeures. Les réacteurs nucléaires de IVe génération doivent répondre à plusieurs contraintes, telles qu'une sûreté améliorée, la régénération du combustible et la minimisation de la production de déchets radioactifs. De ce point de vue, l'utilisation du Cycle Thorium en Réacteurs à Sel Fondu semble prometteuse. Cet axe de recherche, étudié dans le passé, avait cependant débouché sur un concept dont les défauts ont empêché la réalisation. Une nouvelle réflexion est menée afin de trouver des solutions et d'aboutir au concept de Thorium Molten Salt Reactor. Le couplage d'un code de transport de neutrons avec un code d'évolution des matériaux permet de simuler le comportement d'un coeur nucléaire, et de suivre son évolution tout au long de sa vie. Par cette méthode, nous avons étudié un large éventail de configurations de réacteurs. Les performances de ces systèmes ont été évaluées, grâce à un jeu de contraintes qu'ils doivent satisfaire au mieux. Ce travail a permis de comprendre bon nombre de phénomènes physiques régissant le comportement de ces réacteurs. Grâce à cette nouvelle compréhension, la recherche de configurations acceptables a pu aboutir à des solutions satisfaisantes, apportant un souffle nouveau dans le domaine des Réacteurs à Sel Fondu.

Ce travail a consisté à collecter puis étudier pour la première fois les formes de signaux de courant issus de détecteurs silicium lors de l'interaction des particules chargées ou des ions lourds avec ces derniers. Ce document est divisée en deux grandes parties. La première consistait à dépouiller les données expérimentales obtenues avec des particules chargées ainsi que des ions lourds. Ces expériences se sont déroulées au Tandem d'Orsay et auprès du GANIL en utilisant la ligne LISE. Ces deux expériences nous ont permis de créer une base de données formée de signaux de courant avec différentes formes et différents temps de collection. La deuxième partie consistait à réaliser une simulation des signaux de courant issus des différents ions. Pour obtenir cette simulation nous avons pu développer un nouveau modèle décrivant la formation du signal. Nous avons utilisé la base de données des signaux obtenus expérimentalement afin de contraindre les trois paramètres de notre modèle. Dans ce modèle, les porteurs de charges créés sont considérés comme des dipôles et ainsi leur densité est reliée à la polarisation diélectrique dans le détecteur silicium. Ce phénomène induit une augmentation de constante diélectrique tout au long de la trace de l'ion incident et par conséquent le champ électrique entre les électrodes du détecteur est diminué à l'intérieur de la trace. Nous avons couplé à ce phénomène un mode de dissociation et d'extraction des porteurs de charges afin qu'ils puissent se mettre en mouvement dans le champ électrique.

Les principaux objectifs des collisions d'ions lourds relativistes sont l'étude de l'équation d'état de la matière nucléaire et des effets du milieu nucléaire sur la production et la propagation des particules étranges. Le détecteur FOPI installé auprès de l'accélérateur SIS du GSI de Darmstadt permet de mesurer et de reconstruire une grande variété de particules étranges, sensibles au milieu nucléaire dense et chaud. L'étude de la production des hypérons $\Lambda$ et $\Xi^-$ dans les collisions Ni+Ni à 1,93 AGeV, collectées par la collaboration FOPI, est présentée dans ce document. Plusieurs méthodes d'analyse ont été utilisées avec notamment une analyse basée sur les réseaux de neurones. Les taux de production des $\Lambda$ sont en particulier discutés en fonction de la centralité de la réaction. Les résultats sont comparés aux prédictions de divers modèles théoriques et résultats déjà existants. Une étude détaillée de la mesure des hypérons doublement étranges $\Xi^-$ sous le seuil de création est présentée. L'ensemble des résultats permet d'apporter de nouvelles contraintes aux modèles et une meilleure compréhension de la production d'étrangeté dans un domaine en énergie proche du seuil de création.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du projet SPIRAL (Système de Production d'Ions Radioactifs Accélérés en Ligne) dont la mise en service débutera en septembre 2001 au GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds) de Caen. Cette thèse a essentiellement porté sur le développement de systèmes de production d'ions radioactifs (ensemble cible source) par l'étude approfondie de chaque étape de la production par la méthode ISOL (Isotopic Separation On Line) : la production par fragmentation de la cible et/ou du projectile, la diffusion hors du matériau cible, l'effusion jusqu'à la source d'ionisation et enfin l'ionisation des atomes radioactifs. Une étude bibliographique et des simulations thermiques ont permis d'optimiser au mieux les matériaux et la forme des cibles de production et de diffusion. Une première cible a été optimisée et fiabilisée pour la production de gaz rares radioactifs (Argon, Néon,...). Une deuxième cible dédiée à la production d'Héliums radioactifs a entièrement été conçue (du cahier des charges jusqu'aux tests “hors ligne” et “en ligne”). Enfin, un troisième ensemble cible source a été défini pour la production d'alcalins radioactifs monochargés. Les intensités de faisceaux secondaires prévues pour SPIRAL y sont présentées. Une étude détaillée sur les efficacités de diffusion effusion pour ces différentes cibles a montré que l'utilisation d'un carbone dont la microstructure est fine (grain de 1µm) améliore la diffusion ainsi que l'importance de l'épaisseur des lamelles dans l'effusion des isotopes de courts temps de vie.

L'étude de la production d'étrangeté est essentielle pour la compréhension du scénario des collisions d'ions lourds ultra-relativistes. Elle est donc directement nécessaire à l'étude de la phase de partons déconfinés qui résulterait de ces collisions : le plasma de quarks et de gluons. STAR, l'une des quatre expériences du collisionneur RHIC, constitue un outil idéal pour l'observation des particules multi-étranges Xi et Oméga. Nous avons créé un code de reconstruction des Xi et Oméga utilisant les traces de la chambre à projection temporelle de STAR. Nous avons ensuite mis au point une méthode multivariables de sélection du signal par rapport au fond combinatoire, l'analyse discriminante linéaire, permettant d'optimiser l'efficacité de la sélection et le rapport signal sur bruit en prenant en compte les corrélations entre variables. Nous l'avons appliquée aux données Au-Au prises à 200 GeV dans le centre de masse afin d'améliorer la précision des résultats précédents. Le taux de production de Oméga et anti-Oméga a été obtenu pour trois classes de centralité, ainsi que leur flot radial et leur température de découplage cinétique. Le gain sur l'incertitude relative est de 15 à 30 % selon les observables. Notre analyse permet en outre de distinguer la fonction modélisant le mieux le spectre en masse transverse des Oméga. La vitesse moyenne du flot radial 0,50 ± 0,02 c et la température de découplage cinétique 132 ± 20 MeV ainsi mesurées semblent notamment indiquer que les baryons multi-étranges se découplent plus tôt du milieu hadronique que les particules plus légères que sont le pion, le kaon et le proton. Les barres d'erreur restent cependant trop grandes pour tirer des conclusions fortes.

Une description dynamique du processus de multifragmentation montre que si le système nucléaire formé lors de la collision se trouve dans le domaine de basses pendant un temps assez long, les instabilités mécaniques générés vont conduire à la décomposition spinodale du système. Le système choisi afin de prouver expérimentalement cette hypothèse a été Xe+Sn à 32 MeV/A mesuré avec le multidétecteur INDRA. Les qualités remarquables de détection du multidétecteur ont été exploitées au maximum en développant des techniques très performantes pour l'étalonnage en énergie des détecteurs Silicium (2-4% précision) et scintillateurs CsI(Tl) (8-20 % précision). Pour la première fois la contribution des électrons delta dans le bilan de la lumière émise par scintillateur a été prise en compte de façon quantitative. Les événements de multifragmentation d'un système constitué par la quasi-totalité des nucléons de la voie d'entré ont été sélectionnés à l'aide des critères concernant la détection complète et la forme de l'événement. Le modèle dynamique BoB, où les instabilités spinodale sont simulés d'une façon assez réaliste, reproduit bien l'ensemble des observables dynamique et statique. Des comparaisons plus exclusives ont été réalisé pour contraindre toujours plus le modèle. Les corrélations en vitesse réduite des fragments ont été étudiées. Des informations sur la topologie de fragments au freeze-out ont été extraites. Les corrélations en charge des fragments ont montré l'existence d'une faible proportion (0.1 %) des événements caractérisés par une émission de fragments de taille égale. Cela a été interprétée comme une signature fossile de la décomposition spinodale dans un système fini et comme une preuve indirecte, à travers l'existence d'une zone de coexistence (de type liquide-gaz), d'une transition de phase du premier ordre associée à la multifragmentation des noyaux chauds.