L'expérience GBAR - Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest - est conçue pour réaliser un test direct du principe d'équivalence faible sur l'antimatière. Son objectif est de mesurer l'accélération d'un antiatome d'hydrogène en chute libre, appelée Gbar. Son originalité réside dans la production d'antiions Hbar+ pour appliquer le refroidissement sympathique afin d'obtenir une température de l'ordre du µK, indispensable à la réalisation de la mesure. Les ions Hbar+ sont produits par les réactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, puis Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, où pbar représente l'antiproton, Ps le positronium (l'état lié entre le positon et l'électron), Hbar l'antihydrogène et Hbar+ l'antiion associé. Pour produire la quantité de Ps nécessaire à l'expérience GBAR, 2x10^10 positons doivent être injectés sur une cible mésoporeuse de SiO2 en moins de 100ns. Un tel flux nécessite l'accumulation et le refroidissement des positons dans un piège à particules.Cette thèse décrit l'injecteur de positons en phase de démonstration à Saclay pour l'expérience GBAR. Il est constitué d'un piège de Penning-Malmberg (emprunté au laboratoire du RIKEN) alimenté par un faisceau de positons lents. Un accélérateur linéaire d'électrons de 4.3MeV produit le faisceau pulsé de positons en tirant sur une cible de tungstène, modéré ensuite par un modérateur constitué de multiples couches de grilles de tungstène. Le flux de positons lents est de 10^4 e+/pulse, soit 2x10^6 e+/s à 200Hz. Nous présentons dans ce document la toute première accumulation de positons produit par un accélérateur (plutôt qu'une source radioactive), et leur refroidissement dans un plasma de 2x10^10 électrons préalablement chargés dans le piège. / The Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest experiment - GBAR - is designed to perform a direct measurement of the weak equivalence principle on antimatter by measuring the acceleration (gbar) of antihydrogen atoms in free fall. Its originality is to produce Hbar+ ions and use sympathetic cooling to achieve µK temperature. Hbar+ ions are produced by the reactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, and Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, where pbar is an antiproton, Ps stands for positronium (the bound-state of a positron and an electron), Hbar is the antihydrogen and Hbar+ the antiion associated. To produce enough Ps atoms, 2x10^10 positrons must be impinged on a porous SiO2 target within 100ns. Such an intense flux requires the accumulation (collection and cooling) of the positrons in a particle trap. This thesis describes the injector being commissioned at CEA Saclay for GBAR. It consists of a Penning-Malmberg trap (moved from RIKEN) fed by a slow positron beam. A 4.3MeV linear accelerator shooting electrons on a tungsten target produces the pulsed positron beam, which is moderated by a multi-grid tungsten moderator. The slow positron flux is 10^4 e+/pulse, or 2x10^6 e+/s at 200Hz. This work presents the first ever accumulation of low-energy positrons produced by an accelerator (rather than a radioactive source) and their cooling by a prepared reservoir of 2x10^10 cold electrons.

Le principe d'équivalence faible, pilier de la relativité générale d'Einstein, stipule que la masse gravitationnelle est égale à la masse inertielle quelque soit le corps. Ce principe d'équivalence n'a jamais été directement testé avec l'antimatière. L'expérience GBAR se propose de le tester en mesurant l'accélération d'atomes d'anti-hydrogène ultra froids en chute libre. La production de tels anti-atomes nécessite une impulsion de l'ordre de 1e10 positons en quelques dizaines de nanosecondes. Cette thèse porte sur le développement d'une nouvelle technique d'accumulation de positons dans un piège de Penning-Malmberg pour créer une telle impulsion. Cette nouvelle méthode est une amélioration de la technique d'accumulation d'Oshima et al. . Cette technique nécessite un plasma non neutre d'électrons pour refroidir les positons dans le piège afin de les confiner. Les positons sont délivrés par une source continue et l'efficacité de piégeage est de l'ordre de 0.4%. La nouvelle méthode proposée a besoin d'un faisceau pulsé de positons et son efficacité est estimée à 80%. Une partie de cette thèse a été effectuée à RIKEN (Tokyo) sur le piège d'Oshima et al. afin d'étudier le comportement de plasmas non neutres dans ce type de piège et cette méthode d'accumulation de positons. Un modèle théorique a été développé pour simuler son efficacité de confinement des positons. La description et l'étude systématique de la nouvelle méthode d'accumulation avec un faisceau pulsé de positons sont présentées, notamment l'optimisation par simulation numérique de la configuration électromagnétique du piège et des paramètres des plasmas non neutres utilisés.

L'expérience GBAR - Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest - est conçue pour réaliser un test direct du principe d'équivalence faible sur l'antimatière. Son objectif est de mesurer l'accélération d'un antiatome d'hydrogène en chute libre, appelée Gbar. Son originalité réside dans la production d'antiions Hbar+ pour appliquer le refroidissement sympathique afin d'obtenir une température de l'ordre du µK, indispensable à la réalisation de la mesure. Les ions Hbar+ sont produits par les réactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, puis Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, où pbar représente l'antiproton, Ps le positronium (l'état lié entre le positon et l'électron), Hbar l'antihydrogène et Hbar+ l'antiion associé. Pour produire la quantité de Ps nécessaire à l'expérience GBAR, 2x10^10 positons doivent être injectés sur une cible mésoporeuse de SiO2 en moins de 100ns. Un tel flux nécessite l'accumulation et le refroidissement des positons dans un piège à particules.Cette thèse décrit l'injecteur de positons en phase de démonstration à Saclay pour l'expérience GBAR. Il est constitué d'un piège de Penning-Malmberg (emprunté au laboratoire du RIKEN) alimenté par un faisceau de positons lents. Un accélérateur linéaire d'électrons de 4.3MeV produit le faisceau pulsé de positons en tirant sur une cible de tungstène, modéré ensuite par un modérateur constitué de multiples couches de grilles de tungstène. Le flux de positons lents est de 10^4 e+/pulse, soit 2x10^6 e+/s à 200Hz. Nous présentons dans ce document la toute première accumulation de positons produit par un accélérateur (plutôt qu'une source radioactive), et leur refroidissement dans un plasma de 2x10^10 électrons préalablement chargés dans le piège.

Les noyaux les plus complexes sont situés entre les nombres magiques et les médianes des espaces de valence, dans des régions connues pour les changements abrupts des observables nucléaires. Dans ces régions appelées de transition de forme, le paradigme nucléaire change entre la goutte liquide vibrationnelle et le rotor statique. Sauf quelques exceptions, les noyaux de ces régions sont radioactifs, avec des demi-vies qui chutent dans les millisecondes. Complémentaires aux propriétés des états excités à basse énergie, les énergies de liaison et les rayons de charge nucléaires sont parmi les observables les plus sensibles à ces changements de structure nucléaire. Dans ce travail, une étude du phénomène de transition de forme est effectuée, par des mesures de nucléides radioactifs produits dans le laboratoire ISOLDE au CERN. Les masses des isotopes de rubidium riches en neutrons 98-100Rb et des isotopes d’or riches en protons 180,185,188,190,191Au sont mesurées avec le spectromètre de masse de type Penning ISOLTRAP. La masse de 100Rb est déterminée pour la première fois. Des déviations significatives par rapport à la littérature sont trouvées pour les isotopes 188,190Au. Une nouvelle méthode expérimentale est présentée, utilisant un spectromètre de masse à multi-réflexion comme analyseur de faisceau pour la spectroscopie laser d’ionisation résonante. La nouvelle méthode donne la possibilité d’effectuer des études de structure hyperfine atomique avec ISOLTRAP, dont on peut extraire les rayons de charge et les moments électromagnétiques nucléaires. / The most complex nuclei are situated between the magic and the mid-shell ones, in regions known for sudden changes of the trends of nuclear observables. These are the so-called shape-transition regions, where the nuclear paradigm changes from the vibrational liquid drop to the static rotor. With few exceptions, nuclei in these regions are radioactive, with half-lives dropping into the millisecond range.Complementing the information obtained from the low-lying excitation spectrum, nuclear binding energies and mean-square charge radii are among the observables most sensitive to these changes of nuclear structure. In the present work, a study of the shape-transition phenomenon is performed by measurements of radioactive nuclides produced by the ISOLDE facility at CERN. The masses of the neutron-rich rubidium isotopes 98−100Rb and of the neutron-deficient gold isotopes 180,185,188,190,191Au are determined using the Penning-trap mass spectrometer ISOLTRAP. The mass of 100Rb is determined for the first time. Significant deviations from the literature values are found for the isotopes 188,190Au. A new experimental method is presented, using a recently developed multi-reflection time-of-flight mass spectrometer as a beam-analysis tool for resonance-ionization laser spectroscopy. The new method opens the path to measurements of atomic hyperfine spectra with ISOLTRAP, from which charge radii and electromagnetic moments of radioactive nuclides can be extracted. The properties of the studied nuclides map the borders of two prominent regions of quadrupole deformation, which constrain the fine balance between pairing and quadrupole correlations in the nuclear ground states. This balance is studied by the Hartree-Fock- Bogoliubov (HFB) approach. The sensitivity of the shape-transition phenomenon to the strength of pairing correlations is demonstrated. In particular, the strong odd-even staggering of charge radii in the mercury isotopic chain is shown to result in the HFB approach from the fine interplay between pairing, quadrupole correlations and quasi-particle blocking.

La future installation SPIRAL2 du GANIL, à Caen, permettra de produire une gamme étendue de noyaux exotiques avec des intensités très importantes. Cependant, ces faisceaux ne pourront pas être directement utilisés pour réaliser certaines études de haute précision et devront d'abord être purifiés. C'est pour réaliser ce travail que des équipes du CENBG, du MPIK (Heidelberg), du CSNSM, du LPC Caen, du GANIL et de l'IPNO développent un double-piège de Penning dans le cadre du projet PIPERADE. Ce double-piège nécessitant un travail de mise en forme préalable du faisceau (diminution de l'émittance transverse et mise en paquet), le CENBG est en charge de la réalisation d'un refroidisseur-regroupeur quadripolaire radiofréquence : le GPIB. C'est ce développement qui a constitué la majeure partie de mon travail de thèse, notamment en ce qui concerne les simulations de ce refroidisseur-regroupeur dont les résultats ont permis de trouver une méthode innovante pour la mise en paquet et de valider sa conception mécanique. Nous disposons également d'une source d'ions afin de pouvoir tester le GPIB et le double-piège et il m'a fallu la remonter, la comprendre et la caractériser pour que ces tests soient ensuite possibles. Dans un second temps j'ai aussi participer à l'analyse de l'expérience E622S menée au GANIL et qui avait pour but de déterminer précisément la demi-vie de 17F. Ce travail n'a pas permis d'améliorer la précision sur la demi-vie de 17F mais nous avons cependant quelques doutes sur les 2 précédentes mesures et sur leur détermination du taux de contamination de leurs échantillons. / The future SPIRAL2 installation of GANIL, at Caen, will produce large range of exotic nuclei with very high intensities. Nevertheless, these beams could not be used directly for some high precision studies and will have to be purified first. To achieve this work, teams of CENBG, MPIK (Heidelberg), CSNSM, LPC Caen, GANIL and IPNO develop a double Penning trap in the framework of the PIPERADE project. Because this double Penning-trap needs some shaping work (reduction of transverse emittance and bunching), the CENBG team is in charge of the realisation of a radio-frequency quadrupole cooler and buncher : the GPIB. This developpement work was the main part of my PhD work, especially for the simulations of this cooler buncher whose results lead us to find a new bunching method and allowed us to approve its mechanical design. We also have an ion source to be able to test both GPIB and Penning trap and I had to reassemble it, to understand it and to characterise it before these tests could be achieved. In a second time I also took part to the analysis of the E622S experiment which aimed to determined precisely the 17F half-life. This work did not lead to a more precise determination of this half-life but we now have some doubts concerning the 2 last measurements and their way to determine the contamination rate of their radioactive samples.

La thèse porte sur l’étude des supernovae à effondrement de coeur (CCSN). D’abord, nous avons cherché à modéliser la composition du coeur de l’étoile massive lors de son effondrement. Nous avons élaboré un nouveau traitement de l’équilibre statistique nucléaire à partir d’une équation d’état basée sur l’approximation de noyau unique (Lattimer et Swesty, LS). Cela permet d’obtenir une description plus réaliste de la distribution des noyaux constitutifs du coeur et de quantifier plus spécifiquement le rôle des masses nucléaires. Les distributions obtenues avec la fonctionnelle de masse originelle (LS) et celles obtenues à partir des modèles de masse tels que HFB-24 et DZ10 ont été comparées pour plusieurs conditions thermodynamiques d’une trajectoire typique de CCSN. Les différences de composition pouvant conduire à des déviations sur le taux de capture électronique allant jusqu’à ∼25%, il est apparu important de définir un modèle de masse réaliste à utiliser pour la simulation de CCSN. Pour cela, nous avons réalisé des mesures de masse de précision dans la région d’intérêt, avec un double piège de Penning auprès de l’installation IGISOL (située à Jyväskylä, Finlande). Cinq nouveaux excès de masse ont été déterminés pour les noyaux suivants : 69m,70Co, 74,75Ni et 76mCu. La précision a été améliorée pour cinq autres : 67Fe, 69Co, 76,78Cu, 79mZn. Enfin, nous avons confirmé les valeurs obtenues par des études récentes pour le 77Cu et le 79Zn. Dès lors, les valeurs expérimentales des gaps nucléaires Z=28 et N=50 ont été comparées aux résultats prédits par DZ10 et HFB-24. Ce dernier modèle reproduit mieux l’évolution des gaps en question. De fait, HFB-24 a été utilisé dans notre nouveau traitement statistique, que nous avons implémenté dans une simulation hydrodynamique existante de CCSN. Au final, nous avons observé un impact modéré du modèle de masse sur la composition du coeur en effondrement. Par ailleurs, nous avons montré que ces différences de composition ont peu d’effet sur la dynamique d’effondrement, celle-ci semble plus affectée par le taux de capture électronique. Les études futures devraient se focaliser plutôt sur ce paramètre. / The thesis sets itself in the framework of the study of core-collapse supernovae (CCSN). First, the modeling of the composition of the core of a massive star during its collapse has been investigated. To this aim, we have built a new treatment of the nuclear statistical equilibrium starting from a single-nucleus approximation equation of state (Lattimer and Swesty, LS). This allows a more realistic description of the nuclear distribution inside the core and, more specifically, to quantify the role of the nuclear masses. The distributions obtained with the original mass functional (LS) and those obtained with HFB-24 and DZ10 mass models have been compared for several thermodynamic conditions of a typical CCSN trajectory. The differences in the composition could lead up to ∼25% deviations in the electron-capture rate, thus showing the need to identify a proper mass model to use in CCSN simulations. Therefore, we performed high precision mass measurements in the nuclear mass region of interest, via a double Penning trap at the IGISOL facility (Jyväskylä, Finland). Five new mass excess were determined for the following nuclei : 69m,70Co, 74,75Ni and 76mCu. The precision has been improved for five others : 67Fe, 69Co, 76,78Cu and 79mZn. Finally, we have confirmed the values obtained by recent studies for 77Cu and 79Zn. The experimental values of the nuclear gaps for Z=28 and N=50 have been compared with the results predicted by DZ10 and HFB-24. The latter model better reproduces the evolution of these gaps. Therefore, HFB-24 was used in our new statistical treatment, that we implemented in an existing CCSN hydrodynamical simulation. We have observed a moderated impact of the mass model on the composition of the collapsing core. Moreover, we found that the differences in composition have small effect on the collapse dynamics, which appears to be more sensitive to the electron-capture model. Further studies should thus focus on this parameter.