Le travail présenté dans ce mémoire de thèse consiste au développement d'un modèle Hartree-Fock-Bogoliubov relativiste en symétrie axiale. Pour la première fois, un modèle de type champ moyen autocohérent relativiste incorporant explicitement les contributions d'échange est à même de décrire les noyaux atomiques déformés et superfluides. Le choix d'une formulation covariante n'est en aucun cas lié au besoin d'une cinématique nucléaire relativiste mais à l'exploitation des symétries de Lorentz. En particulier, le maintien d'une distinction entre scalaire de Lorentz et composante temporelle des 4-vecteurs est source d'efficacité et de simplification en ce qui concerne la description des systèmes nucléaires. Dans ce cadre, les nucléons sont considérés comme des particules ponctuelles représentées par un spineur de Dirac. Leur interaction dans le milieu nucléaire est decrit en terme d'échange de mésons effectifs. La dynamique de ces degrés de liberté est spécifiée par une densité lagrangienne phénoménologique, caractérisée par huit paramètres libres contraints par l'ajustement sur la masse de noyaux sphériques ainsi que par la reproduction de propriétés de la matière nucléaire. Une fonctionnelle de la densité pour l'énergie s'obtient à partir de la densité lagrangienne traitée dans l'approximation Hartree-Fock-Bogoliubov. En particulier, la prise en compte explicite des termes d'échange permet l'introduction du pion, qui ne contribue que par son terme de Fock à l'échelle du champ moyen. La minimisation de la fonctionnelle de la densité pour l'énergie conduit aux équations Hartree-Fock-Bogoliubov relativistes considérées en symétrie axiale. Ces dernières sont résolues dans une base d'oscillateur harmonique déformé. Le modèle ainsi développé est utilisé pour décrire l'état fondamental des isotopes de carbone, néon et magnésium.

Les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium sont en développement en vue d'assurer une quatrième génération de réacteurs répondant à la demande énergétique, tout en assurant la préservation des ressources d'uranium par un fonctionnement en surgénérateur. L'objectif de la filière est également d'améliorer la gestion de la radiotoxicité des déchets produits par transmutation des actinides mineurs et de contrôler la non-prolifération par un fonctionnement en cycle fermé. Une instrumentation de surveillance et de contrôle de ce type de réacteur a été étudiée dans cette thèse. La spectrométrie gamma de nouvelle génération permet, par les hauts taux de traitement aujourd'hui accessibles, d'envisager de nouvelles approches pour suivre avec une précision accrue la puissance neutronique et de détecter plus précocement des ruptures de gaine combustible. Des simulations numériques ont été réalisées et une campagne d'essai a été menée à bien sur le réacteur Phénix de Marcoule. Des perspectives prometteuses ont été mises en exergue pour ces deux problématiques.

L'étude des corrélations dans les noyaux légers riches en neutrons est importante pour comprendre leur structure. Dans cette optique, la réaction de dissociation de l'$^{8}$He à 15 MeV/nucléon sur cible de carbone a été étudiée pour la voie $^{6}$He+2n. Le dispositif expérimental était composé de deux détecteurs principaux : le télescope CHARISSA pour la détection des fragments chargés et DéMoN, permettant la détection de plusieurs neutrons en coïncidence. Un code de simulation a été développé pour faciliter l'interprétation des résultats en modélisant les corrélations, la réaction et le dispositif expérimental.<br />Deux techniques complémentaires ont été utilisées pour étudier les corrélations dans la dissociation de $^{8}$He. L'une, l'interférométrie d'intensité, permet de construire la fonction de corrélation neutron-neutron et de fournir une première estimation de la taille de la source d'émission, donc la distance moyenne les séparant. L'autre, basée sur les tracés de Dalitz, permet l'étude des corrélations neutron-neutron et coeur-n et a mis en évidence la décroissance séquentielle de l'$^{8}$He vers l'état fondamental résonant de l'$^{7}$He. Les caractéristiques spatio-temporelles de la dissociation de l'8He sur cible de carbone ont donc pu être déduites et la distance moyenne RMS entre deux neutrons de valence de l'$^{8}$He dans les états excités du continuum a été estimée à 7,3[=+]0,6 fm pour un temps d'émission entre ces neutrons de 1 000[=+]300 fm/c, de l'ordre de grandeur de la durée de vie de l'$^{7}$He.

Cette thèse a pour objectif de caractériser un système dosimétrique in vivo implantable pour la radiothérapie externe capable de réaliser, en temps réel, une mesure directe de la dose absorbée dans le volume cible. Ce système, nommé SECURIDOSE, met en œuvre une sonde implantable qui comporte à son extrémité distale un cristal de nitrure de gallium radioluminescent. La transduction par radioluminescence du nitrure de gallium a été étudiée et ses performances intrinsèques ont été comparées avec celles d'autres techniques de transduction mises en œuvre en dosimétrie in vivo. Ce mode de transduction offre un avantage en termes de un rendement de transduction qui est de 100000 photons/MeV. Le GaN a un temps de réponse très court (<1ns). Son émission bande à bande dans le UV est bien adaptée à une mesure en temps réel de la dose. Son spectre d'émission est étroit ce qui facilité la réjection spectrale des luminescences parasites. Le système proposé offre une réponse linéaire avec la dose d'irradiation qui ne dépend pas du débit de dose. Cette réponse reste linéaire même pour des doses d'irradiation très supérieures à celles délivrées au patient. De plus, les sondes SECURIDOSE restent opérationnelles après un cycle de stérilisation Gamma avec une irradiation par une source de 60Co à une dose de 29 kGy. Le GaN n'a pas une dépendance angulaire. Le seul désavantage du système, est la dépendance à l'énergie du faisceau du fait que le GaN n'est pas équivalent tissu. Une variation de 4.5% de la réponse du système a été observée entre deux énergies de faisceaux de photons 6MV et 18MV.

Ce mémoire est une synthèse, sous forme de sélection d'articles, des travaux développés depuis ma soutenance de thèse en 2001. De nombreuses lignes de recherche se sont dégagées dans les années qui ont suivi ma thèse et mes activités scientifiques se sont développées en suivant différentes directions. Le noyau atomique est un système quantique composé par N fermions qui nécessite un traitement théorique basé sur des modèles microscopiques. Les travaux développés et l'expérience acquise dans ce domaine se prêtent donc de manière très naturelle à des extensions interdisciplinaires pour l'étude d'autres systèmes quantiques formés par N fermions comme, par exemple, les agrégats métalliques ou les gaz d'atomes fermioniques piégés. J'ai exploré quelques-uns de ces liens interdisciplinaires et l'ensemble de ces activités a contribué à former ma vision générale du problème à N corps. Cela a par ailleurs enrichi et élargi mes perspectives de recherche en physique nucléaire. La plus longue partie du mémoire est consacrée à la réflexion autour des noyaux exotiques effectuée avec des modèles basés sur le champ moyen pour étudier : l'évolution de la structure loin de la stabilité et certains phénomènes exotiques liés à cette évolution, les corrélations d'appariement, les halos, l'effet sur les propriétés de l'état fondamental du terme tenseur et d'autres termes non standards dans l'interaction de Skyrme. Des applications dans les domaines des réactions et de l'astrophysique nucléaire sont aussi discutées. Quelques extensions de la méthode RPA sont détaillées. Ces travaux visent à une formulation complètement auto-consistante de la méthode pour un meilleur traitement des corrélations dans l'état fondamental des systèmes à N corps. Dans les conclusions et perspectives du mémoire, les limites de validité de l'approximation de champ moyen sont mises en évidence et un certain nombre de possibilités d'amélioration du pouvoir prédictif et de raffinement des modèles sont présentées et discutées.

Le projet SPIRAL2, en phase de construction au GANIL à Caen, viendra augmenter les capacités de production et d'accélération de l'actuelle installation SPIRAL. Cette extension consiste en la construction d'une zone de production d'isotopes radioactifs associée à un accélérateur linéaire supraconducteur. Ce dernier permet l'accélération de faisceaux de deutons de 5 mA à 40 MeV ainsi que d'une grande variété d'ions (protons, deutons, ions ayant un rapport charge/masse de 1/3) jusqu'à une énergie de 14.5 MeV/u et un courant de 1 mA. Le taux de fission visé (~ 1014 fissions/s) ainsi que cette grande polyvalence d'accélération sont rendus possible grâce à l'utilisation de la technologie supraconductrice. L'étude, la conception et l'intégration des modules accélérateurs supraconducteurs de la partie haute énergie ont été effectuées à l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay (IPNO). Le travail de thèse présenté ici s'inscrit dans ce contexte. Dans un premier temps, les cavités accélératrices supraconductrices de type quart-d'onde ont été validées et caractérisées d'un point de vue électromagnétique et mécanique en cryostat de qualification (-269 °C). Par la suite, un module accélérateur totalement équipé a été qualifié en configuration dite « machine ». Des études plus spécifiques ont également été menées sur l'effet 100K, les microphonies et la caractérisation du système d'accord en fréquence par plongeur mobile, système novateur pour les cavités supraconductrices. La validation des performances du module accélérateur à travers ce travail de thèse a donné lieu au lancement de la phase de fabrication des cavités accélératrices et des cryomodules.

Cette thèse s'inscrit dans un nouveau projet de mesure du moment dipolaire électrique (EDM) du neutron à l'institut Paul Scherrer. Deux aspects ont été étudiés ici: la détection et l'analyse de polarisation de neutrons ultra-froids. Trois types de détecteurs ont été testés à l'Institut Laue-Langevin (ILL): le Cascade-U (technologie GEM), le compteur à gaz 3He et des scintillateurs dopés au 6Li (type GS). Leur efficacité de détection ainsi que leur sensibilité au bruit de fond ont été mesurées. Sous les conditions expérimentales du spectromètre EDM, le scintillateur GS10 s'est montré compétitif avec le détecteur à gaz 3He. Un système de double scintillateur GS3/GS20 a permis d'améliorer la séparation entre signaux neutrons et gammas. Il s'est avéré 20% moins efficace que le détecteur à gaz 3He sous le spectromètre EDM. Le Cascade-U a, quant à lui, montré qu'il était 20% moins efficace qu'un GS10 de 500 microns d'épaisseur comme l'ont conrmé des simulations. Un nouveau système d'analyse simultanée de spin est présenté. Il consiste en deux systèmes de détection (bras) possédant chacun un spin flipper adiabatique, un analyseur de spin, et un détecteur. Les bras détectent chacun une composante de polarisation, permettant ainsi un comptage des deux états de spin du neutron. Des tests d'un prototype monté en situation horizontale à l'ILL ont montré que le pouvoir d'analyse des bras était de 80%. La transmission du système sans analyseurs est de 50%.

L'hadronthérapie consiste en l'utilisation des particules lourdes dans le but de soigner certains cancers inopérables et/ou résistants aux radiothérapies conventionnelles.. L'objectif est de déposer la dose nécessaire dans la tumeur afin de la stériliser, tout en limitant le dépôt de dose dans les tissus sains environnants. Le dépôt de dose est dû en grande partie à l'ionisation de la cible directement par le faisceau incident, mais aussi dans une moindre mesure aux fragments produits par les interactions nucléaires entre les noyaux des projectiles et les noyaux des atomes de la cible. Ces processus nucléaires et leur contribution à la délocalisation de la distribution volumique du dépôt de dose sont difficilement quantifiables du fait de la mauvaise connaissance de leurs sections efficaces aux énergies utilisées en hadronthérapie. Le sujet principal de la thèse est de développer une méthodologie pour la quantification des incertitudes sur la dose effectivement délivrée, étant données les conditions d'irradiation. Ce travail s'est articulé autour de deux axes : une approche phénoménologique et une approche expérimentale. L'approche phénoménologique a consisté en une étude bibliographique et une compilation des données expérimentales existantes, suite auxquelles le modèle empirique développé par Sihver et al. a été amélioré, permettant ainsi une meilleure description des sections efficaces de réaction totales et différentielles noyau-noyau pour un nombre de masse inférieur à 26. L'approche expérimentale a consisté en deux prises de données: tout d'abord la mesure du profil des émetteurs β+ dans une cible d'eau irradiée par des ions carbone en utilisant la technique de tomographie à émission de positons au GANIL , puis la mesure de profils transversaux et longitudinaux de dépôt de dose dans des cible de graphite et de PMMA irradiées par des protons au PSI. Une méthode d'analyse de données consistant à comparer les prédictions des simulations Monte Carlo aux mesures physiques a été ensuite développée.

Ce document décrit les récents résultats expérimentaux sur la structure en spin du nucléon obtenus auprès de l'accélérateur d'électrons Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) en Virginie. Après avoir discuté la finalité de l'étude la structure en spin du nucléon et donnés les définitions de base, nous expliquons la phénoménologie de la diffusion de leptons. Nous détaillons ensuite certaines règles de somme, un outil central pour l'étude du spin du nucléon à Jefferson Lab, puis exposons la situation expérimentale actuelle. Suivent une présentation et discussion des résultats correspondants puis un exemple de résultat de l'étude du nucléon et ses conséquences sur notre compréhension de l'interaction forte. Nous concluons ce document sur les perspectives expérimentales dans ce domaine de recherche, en particulier avec la prochaine augmentation en énergie de Jefferson Lab.

L'existence éventuelle de multineutrons liés, suggérée par de récents résultats expérimentaux serait susceptible de remettre radicalement en cause bien des certitudes établies sur l'interaction nucléon-nucléon. Nous avons choisi d'utiliser la réaction 8He(d,6Li) pour mesurer le spectre d'énergie du système 4n afin d'y rechercher la présence d'un pic signant l'existence éventuelle d'un noyau lié neutre : le « Tetraneutron », ou bien celle d'un état résonant à basse énergie d'excitation. Cette étude a été menée au GANIL en utilisant le faisceau secondaire de 8He de 15.8 A.MeV fourni par SPIRAL. L'ensemble de détecteurs Silicium à pistes MUST a été utilisé pour mesurer les angles d'émission et les énergies des 6Li, et en déduire la masse manquante du système des quatre neutrons. Une nouvelle expérience réalisée en 2004 avec une statistique plus élevée et une meilleure détermination du fond n'a pas permis de confirmer l'existence de la structure étroite observée en 2002 à une énergie d'environ 2.5 MeV .L'analyse des résultats démontre cependant la présence de fortes corrélations entre les quatre neutrons émis.