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.

Grace aux progrès énormes des techniques de refroidissement, des expériences actuelles avec des atomes fermioniques piégés atteignent des températures extrêmement basses de l'ordre du nanoKelvin. Le but principal de ces expériences est l'étude de la transition nommée "BEC-BCS crossover". Pour cela, on change le champ magnétique autour d'une résonance de Feschbach, ce qui implique que la longueur de diffusion change des valeurs répulsives (a positif), à travers la limite unitaire (a infini) aux valeurs attractives (a négatif). Du côté BEC, où le système forme un condensat de Bose-Einstein de molécules fortement liées, aussi bien que du côté BCS, où les atomes forment des paires de Cooper qui ont une grande extension par rapport à la distance moyenne entre les atomes, on s'attend à ce que le système devienne superfluide, à condition que la température soit inférieure à une certaine température critique. Afin de trouver des signes sans équivoque de la superfluidité, il est nécessaire de regarder des observables dynamiques comme l'expansion du nuage atomique lorsque le piège est éteint ou des oscillations collectives du nuage. Le travail effectué au cours de cette thèse est une étude de la dynamique des modes collectifs dans les gaz de fermions froids. Nous avons développé un modèle basé sur l'évaluation de la matrice T. L'utilisation de l'équation de transport de Boltzmann pour les particules permet ensuite une étude semi-numérique des modes collectifs dans tous les régimes d'interaction. Cette étude a permis de mettre en évidence pour la première fois que la fréquence du mode radial quadrupolaire est supérieure à deux fois la fréquence du piège, comme cela est vérifié expérimentalement et contrairement aux premières théories n'incluant pas les effets de champ moyen. Les résultats obtenus ont aussi mis en évidence la nécessité d'une résolution numérique complète de l'équation de Boltzmann et de l'amélioration des techniques de détermination des observables physiques du gaz. Cette résolution numérique de l'équation de Boltzmann a montré que la détermination du temps de relaxation par la méthode des moments est erronée de 30%, ce qui influe fortement sur la détermination de la fréquence et de l'amortissement du mode collectif. Enfin, l'amélioration de la méthode des moments, considérant l'ordre supérieur, permet d'améliorer sensiblement l'accord avec le résultat numérique. Une telle investigation n'avait jamais été réalisée et montre la nécessité de considérer les moments d'ordre supérieurs pour l'étude des modes collectifs par l'équation de Boltzmann d'un gaz de fermions dans la phase normale.

Ce mémoire traite de différents aspects des phénomènes collectifs rencontrés en dynamique nucléaire. Le formalisme de la densité fonctionnelle d'énergie dépendante du temps (TDEDF) constitue un des modèles les plus aboutis pour réaliser de telles études. Une des premières implémentations du formalisme TDEDF permettant de traiter l'appariement nucléaire, basée sur la résolution des équations Hartree-Fock-Bogoliubov dépendantes du temps, est présentée. Dans une seconde partie, le formalisme TDEDF est appliqué à l'étude de certaines excitations collectives du noyau. Tout d'abord, l'accent est mis sur les propriétés de structure et de décroissance de la résonance géante monopolaire pour des noyaux à (sous-)couche fermée. Un autre mode d'excitation du noyau atomique est ensuite étudié : les vibrations d'appariement. L'impact des fonctionnelles utilisées a été discuté. La troisième partie est dédiée à l'étude de la synthèse des éléments les plus lourds par fusion d'ions lourds presque symétriques. Ces réactions sont sujettes au phénomène de suppression de la fusion. Ce dernier est illustré au moyen du formalisme TDEDF. Une expérience test sur la fusion par voie symétrique, menée au GANIL sur le système Xe{136}+Sn{124}->Rf{260}*, est ensuite analysée. Aucun résidu d'évaporation n'a été observé. Une section efficace maximale de fusion-évaporation de 81 pb a été obtenue pour la voie 2n. Les difficultés expérimentales rencontrées sont discutées et mises en perspectives avec l'avènement d'une nouvelle génération de faisceaux d'ions radioactifs tels que ceux qui seront disponibles avec Spiral2.

La décomposition rapide (t<10-21 seconde) du noyau en plusieurs fragments, appelée multifragmentation, est théoriquement associée à une transition de phase de type liquide-gaz. Depuis plusieurs années, les physiciens tentent d'observer une preuve expérimentale de ce phénomène. Afin d'y parvenir, il a été suggéré d'étudier une signature propre du mécanisme par lequel une telle transition procéderait: la décomposition spinodale. La signature de ce mécanisme est la production de fragments de tailles égales. La méthode proposée pour observer cette signature est celle des corrélations en charge à l'aide du calcul des probabilités intrinsèques. La 5ième campagne d'expériences du multidétecteur INDRA a été réalisée au GANIL afin d'obtenir la statistique nécessaire pour avoir un signal positif avec un niveau de confiance de 5σ. Les systèmes 124Xe+112Sn et 136Xe+124Sn ont été étudiés à 32 et 45 AMeV afin d'étudier l'influence du ratio N/Z sur la transition de phase dans les noyaux. La présence d'événements avec une distribution en charge très étroite, conformément à l'hypothèse d'une décomposition spinodale a été confirmée. L'impact de la densité neutronique sur la configuration de la voie de sortie des fragments, dans les collisions centrales a été mis en évidence : un système initialement riche en neutrons produit davantage de fragments et moins de particules qu'un système initialement pauvre. Finalement, une étude du ratio N/Z des fragments en fonction de leur énergie cinétique, dans le but d'obtenir une contrainte expérimentale sur l'énergie de symétrie est réalisée.

Les caractéristiques des distributions des produits de fission sont le résultat des propriétés dynamiques et quantiques du processus de déformation du noyau fissionnant. Ces distributions représentent également un intérêt pour la conception de nouveaux réacteurs nucléaires ou pour l'incinération de déchets radioactifs. Jusqu'à présent, notre compréhension de la fission nucléaire reste limitée du fait de restrictions expérimentales. En particulier, les rendements des produits de fission lourds sont difficiles à obtenir avec précision. Dans cette thèse, une technique expérimentale innovante est présentée. Elle repose sur l'utilisation de la cinématique inverse couplée à l'usage d'un spectromètre, dans laquelle un faisceau d'238U à 6 ou 24 A MeV est envoyé sur des cibles légères. Différents actinides, de l'238U au 250Cf, sont produits par réactions de transfert ou de fusion, avec des énergies d'excitation allant d'une dizaine à quelques centaines de MeV selon la réaction et l'énergie du faisceau. Les fragments issus de la fission de ces actinides sont détectés par le spectromètre VAMOS ou le séparateur LISE. Les rendements isotopiques des produits de fission sont entièrement mesurés pour différents systèmes fissionnants. L'excès de neutrons des fragments est utilisé pour caractériser les distributions isotopiques. Son évolution avec l'énergie d'excitation nous procure des informations probantes sur le mécanisme de formation du noyau composé et sa désexcitation. L'excès de neutrons nous renseigne également sur le nombre de neutrons évaporés par les fragments. Le rôle des effets de couches proton et neutron dans la formation des fragments de fission est également discuté.

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De nouveaux radio-isotopes pour la médecine nucléaire peuvent être produits par des accélérateurs de particules. C'est l'un des buts d'Arronax, un cyclotron de hautes énergies - 70 MeV - et hautes intensités - 2*350 µA - installé à Nantes. Une liste d'émetteurs b- - 47Sc, 67Cu - b+ - 44Sc, 64Cu, 82Sr/82Rb, 68Ge/68Ga - et a - 211At - à étudier en priorité a été établie. Parmi ceux là, le 47Sc et le 67Cu présentent un intérêt en thérapie ciblée. L'optimisation de leurs productions nécessite la bonne connaissance de leurs sections efficaces, mais aussi de celles de tous les contaminants créés. Nous avons lancé sur Arronax un programme de mesures de sections efficaces utilisant la technique des Stacked-foils. Elle consiste en l'irradiation simultanée d'un groupe de feuilles - cibles, moniteurs et dégradeurs - et la mesure par spectro-gamma de la production d'isotopes. Les moniteurs permettent un contrôle des pertes de faisceau tandis que les dégradeurs en diminuent l'énergie. Nous avons étudié les réactions natTi(p,X)47Sc et 68Zn(p,2p)67Cu. Les cibles étant respectivement des feuilles de natTi - achetées chez Goodfellow - ou des électrodépositions sur Ag de 68Zn enrichi. Nous les réalisons nous même ainsi que la séparation chimique des isotopes de Cuivre et de Gallium indispensable avant de procéder au comptage gamma. Les sections efficaces de plus de 40 réactions ont ainsi été obtenues sur l'intervalle de 18 MeV à 70 MeV. Une comparaison avec le code Talys est systématiquement faite, et plusieurs paramètres des modèles théoriques étudiés. Nous montrons qu'il est impossible de reproduire avec exactitude toutes les sections efficaces à partir d'un seul jeu de ces paramètres.