Ce travail de thèse nous a mené à apporter de nouveaux développements au code Monte-Carlo de simulation détaillée Geant4-DNA pour étudier les interactions des électrons de basse énergie dans l'eau liquide, principal constituant des organismes biologiques. La précision des résultats obtenus avec les codes Monte-Carlo repose sur le réalisme de leurs modèles physiques : les sections efficaces. CPA100 est un autre code Monte-Carlo de structure de trace. Il dispose de sections efficaces d'ionisation, d'excitation électronique et de diffusion élastique dont les méthodes de calculs sont indépendantes de celles utilisées pour les sections efficaces de Geant4-DNA (modèles physique " option 2 " et son amélioration " option 4 "). De plus, les sections efficaces de CPA100 sont en meilleur accord avec certaines données expérimentales. Nous avons implémenté les sections efficaces de CPA100 dans Geant4-DNA pour offrir aux utilisateurs l'opportunité d'utiliser des modèles physiques alternatifs désignés Geant4-DNA-CPA100. Ils sont disponibles en libre accès dans la plateforme Geant4 depuis juillet 2017. La vérification de l'implémentation correcte de ces modèles physiques dans Geant4-DNA a consisté à comparer la simulation de plusieurs grandeurs de base obtenues avec Geant4-DNA-CPA100 et CPA100 et des résultats très similaires ont été obtenus. Par exemple, un excellent accord entre les longueurs de trajectoire et les nombres d'interactions a été mis en évidence. Puis, nous avons évalué l'impact des sections efficaces en utilisant les modèles physiques originaux de Geant4-DNA (" option 2 " et " option 4 "), Geant4-DNA-CPA100 et le code PENELOPE, pour obtenir des grandeurs d'intérêt pour des calculs dosimétriques : les " dose-point kernels " (DPK, pour des électrons monoénergétiques) et les facteurs S (pour des électrons monoénergétiques et des émetteurs d'électrons Auger). Les calculs de DPK de Geant4-DNA avec les modèles physiques " option 2 " et " option 4 " sont similaires et une différence systématique a été mise en évidence avec Geant4-DNA-CPA100. Les DPK calculés par ce dernier ont montré un bon accord avec le code PENELOPE. Les facteurs S obtenus avec Geant4-DNA " option 2 " sont globalement proches de Geant4-DNA-CPA100. Enfin, nous avons cartographié les dépôts d'énergie dans un contexte de radioimmunothérapie. De telles simulations sont habituellement réalisées en considérant des tumeurs sphériques et des biodistributions uniformes d'anticorps monoclonaux. Nous avons extrait des données plus réalistes d'un modèle 3D innovant de lymphome folliculaire, incubé avec des anticorps. Les dépôts d'énergie ont été calculés pour différents émetteurs d'électrons Auger (111In et 125I) et de particules ß- (90Y, 131I et 177Lu). Ces calculs ont montré que les émetteurs de particules ß- délivrent plus d'énergie et irradient une plus grande fraction du volume que les émetteurs d'électrons Auger. L'émetteur de particule ß- le plus efficace dépend de la taille du modèle qui est utilisé. / During this PhD thesis, new developments have been brought to Geant4-DNA step-by-step Monte Carlo code. They were used to study low-energy electron interactions in liquid water - the major component of living organisms. The accuracy of results obtained through Monte Carlo code is limited by the validity of their cross sections. CPA100 is another step-by-step Monte Carlo code. It is equipped with ionization, electronic excitation and elastic scattering cross sections. However, these cross sections are calculated according to methods independent of those used for Geant4-DNA cross section calculations, which consisted of two original physics models: "option 2" and its improvement, "option 4". Moreover, in some cases CPA100 cross sections are in better agreement with experimental data. Therefore, the first objective of this research was to implement CPA100 cross sections into Geant4-DNA in order to give users the choice of alternative physics models, known as Geant4-DNA-CPA100. They have been available to users since July 2017. The verification of the correct implementation of these physics models within Geant4-DNA involved a comparison of different basic quantities between Geant4-DNA-CPA100 and CPA100 and extremely similar results were obtained. For instance, a very good agreement was highlighted between the calculations of the track length and the number of interactions. Consequently, the impact of cross sections was assessed using the original Geant4-DNA physics models ("option 2" and "option 4"), the alternative Geant4-DNA-CPA100 physics models and PENELOPE code for calculations of useful quantities in nuclear medicine, such as dose-point kernels (DPKs for monoenergetic electrons) and S values (for monoenergetic electrons and Auger electron emitters). With regards to DPK calculations, Geant4-DNA with "option 2" and "option 4" physics models were in close agreement, showing a systematic difference with Geant4-DNA-CPA100, which in turn were close to those calculated with PENELOPE code. For S value calculations, however, Geant4-DNA results were in good agreement with Geant4-DNA-CPA100. Finally, in the context of radioimmunotherapy, energy depositions were mapped. Such simulations are usually performed assuming spherical tumor geometries and uniform monoclonal antibody distributions. Realistic data was extracted from an innovative 3D follicular lymphoma model incubated with antibodies. Energy depositions were calculated for Auger electron (111In and 125I) and ß- particle (90Y, 131I and 177Lu) emitters. It was demonstrated that ß- particle emitters delivered more energy and irradiated greater volume than Auger electron emitters. The most effective ß- particle emitter depends on the size of the model that is used.

Les sections efficaces d'excitation collisionnelle sont des ingrédients essentiels dans la modélisation des propriétés radiatives d'un plasma hors équilibre thermodynamique. Dans le cas où le système électron-ion peut être considéré comme isolé, diverses méthodes quantiques issues de la théorie de la diffusion existent pour traiter correctement ce problème. Dans un plasma dense, on s'attend à ce que les particules voisines perturbent considérablement ces transitions. La modélisation du plasma par l'intermédiaire d'un potentiel perturbateur purement radial à déjà été effectuée, mais elle n'est pas satisfaisante pour les excitations collisionnelles car elle ne parvient à rendre compte ni de la levée de dégénérescence des niveaux ni de ses conséquences. Nous avons levé la "symétrie sphérique" en introduisant le microchamp électrique quasistatique produit par les ions voisins. Cette étude théorique inédite nous a permis de réaliser un code numérique, calculant automatiquement les forces de collision et taux collisionnels d'ions complexes de manière précise (Distorted Waves) en présence d'un microchamp reproduisant fidèlement la réalité. Nous avons appliqué cette étude au cas de l'Aluminium hydrogénoïde et héliumoïde. La prise en compte du microchamp électrique sur les sections efficaces d'excitation collisionnelle fait apparaître notablement les transitions issues d'états de moment angulaire élevé. En particulier, les sections efficaces de transitions interdites en l'absence de microchamp augmentent de plusieurs ordres de grandeur en sa présence et deviennent de l'ordre de celles des transitions autorisées. Nous avons, en outre, réalisé un code collisionnel-radiatif stationnaire élémentaire pour évaluer l'influence de ces modifications sur les profils de raies correspondants. L'importance de l'effet précédent n'élargit, cependant, que légèrement les raies Lyman beta, gamma et Helium gamma.

Les résultats expérimentaux récents concernant les noyaux aux limites de la stabilité ont motivé la recherche de nouveaux modèles nucléaires.<br> Pour cela, on a développé le modèle en couches avec couplage au continuum, qui permet de prendre en compte à la fois les corrélations entre nucléons et l'influence du continuum. Ce modèle a été utilisé dans ce travail pour l'étude des spectres des noyaux 17 F et 17 O. Aussi, on peut calculer des sections efficaces de capture radiative et de diffusion élastique, qu'on a appliqué aux réactions 16 O (p,p) 16 O et 16 O (p,gamma) 17 F. Cette dernière réaction a un intérêt astrophysique car elle joue un rôle important dans la formation des éléments légers dans les étoiles. On a de plus calculé les transitions bêta premières interdites des réactions 17 Ne -> 17 F et 17 N -> 17 O. Le formalisme étudié permet en effet de considérer avec le même hamiltonien les différentes observables de structure et de réaction.<br> Aussi, et c'est une première, on a introduit un nouveau modèle susceptible de donner de nouvelles informations sur les noyaux peu liés ou résonnants, le modèle en couches avec états de Gamow. Ce modèle est une généralisation du modèle en couche standard, car sa base est constituée d'états liés, résonnants et de diffusion. De plus, l'émission de plusieurs particules corrélés peut se faire, contrai- rement au modèle en couches avec couplage au continuum. On a étudié avec ce modèle les spectres des noyaux issus des chaînes d'isotopes d'oxygène de 17 O à 22 O et d'hélium de 5 He à 9 He, où le continuum a un rôle respectivement non négligeable et crucial. Aussi, on a considéré les transitions électromagnétiques et les densités de particules de valence de ces isotopes pour ces mêmes chaînes. On a pu montrer que ce modèle est utilisable d'un point de vue pratique, ce qui est intéressant car il possède la généralité du modèle en couches et n'a aucune restriction du nombre de particules dans le continuum.

Dans le cadre de l'amélioration et de la qualification des formulaires de calcul neutronique, ce travail de thèse consiste en la conception, l'optimisation et le développement de techniques de mesures par spectrométrie g de paramètres intégraux, dans les réacteurs EOLE et MINERVE. L'objectif est d'aboutir à des résultats de mesure maîtrisés et d'incertitude réduite. In fine, les progrès réalisés visent à progresser sur l'interprétation des écarts calcul / expérience et à améliorer la connaissance de données nucléaires de base et en particulier de sections efficaces intégrales de capture et de fission. Tout d'abord, il s'agissait de caractériser l'instrumentation utilisée par le passé afin d'identifier et de quantifier les erreurs commises sur les mesures de paramètres neutroniques. La thèse met en évidence l'existence d'un biais systématique allant jusqu'à 12% sur les mesures de recalage de taux de fission et jusqu'à 3% sur les mesures de laplacien géométrique axial, en raison d'une mauvaise prise en compte du phénomène de temps mort sur les anciennes chaînes de mesure (amplificateur 2026 et codeur / analyseur PCA3). Grâce à une étude comparative aboutissant à leur remplacement par des systèmes numériques DSP2060, ces biais systématiques ont été supprimés. La mise en place d'une méthodologie d'optimisation de ses réglages permet désormais un fonctionnement précis à mieux que 0.5% jusqu'à un taux de comptage de 1.5'105 s-1. Ce travail offre de nouvelles perspectives d'expériences qui n'auraient pu être réalisées auparavant avec un niveau d'incertitude suffisant. Ensuite, une analyse critique des méthodes de traitement des données brutes de mesure et de propagation des incertitudes a été menée. Des sources d'erreurs systématiques, qui n'étaient pas prises en compte par le passé, sont désormais corrigées. Elles concernent l'influence de la décroissance d'activité sur la correction du temps mort (environ 2%), le phénomène de coïncidences vraies (environ 5%) et les effets d'angle solide sur l'autoabsorption g (environ 8%). Par ailleurs, la mise en place de méthodes rigoureuses de propagation des incertitudes permet la réduction au moins d'un facteur 3 de l'incertitude sur la mesure de paramètres fondamentaux de la neutronique - recalage de taux de fission (environ 0.6%) et laplacien géométrique axial (environ 0.7%) - et au moins d'un facteur 2 sur la mesure du taux de conversion de l'uranium 238 (environ 1.5%). Ces progrès sont mis à profit pour la conception et la réalisation de mesures participant à la qualification de sections efficaces d'actinides (232Th, 236U, 237Np, 242Pu) et d'absorbants neutroniques (151Eu, 153Eu, 164Dy, 170Er, 180Hf). La comparaison des mesures de rapports cadmium et d'indices de capture, par rapport à des calculs déterministes APOLLO2 et probabilistes MCNP4C2 avec les bibliothèques JEF2.2 , ENDF/B-VI.8 ou JEFF3.1, met en évidence des biais systématiques atteignant jusqu'à 50% sur certaines sections de capture, avec une incertitude expérimentale meilleure que 2%. Enfin, des expériences dédiées à la qualification de données de décroissance ont été mises au point pour la toute première fois au LPE. Une erreur de 5% sur l'évaluation JEFF3.1 de la période radioactive du strontium 92 a été identifiée. Cette donnée nucléaire a été réévaluée par des expériences spécifiques, conduisant à une incertitude diminuée d'un facteur 2. Par ailleurs, des fluctuations des rendements de fission de la réaction 235U(n,f) ont été observées entre des spectres neutroniques thermique et épithermique, allant de -0.8% à +2%. L'étude aboutit à l'émission de recommandations sur les méthodes d'évaluation du rendement effectif de fission pour des réacteurs de type sous-modéré.

Cette thèse concerne l'étude de la production de faisceaux d'ions radioactifs par la méthode ISOL pour le projet SPIRAL 2. La production de faisceaux légers est tout d'abord considérée. Les taux de production potentiels de deux faisceaux sont évalués : la production de 15C (riche en neutrons) dans une cible d'oxyde est estimée à l'aide de simulations (MCNPx, EAF-07) et de données expérimentales ; le taux de production d'14O (déficient en neutrons) est estimé par une nouvelle mesure de la fonction d'excitation de la réaction 12C(3He,n)14O. Une première conception de la cible de production basée sur des simulations thermiques est présentée. Cette étude apporte les réponses nécessaires à la conception détaillée d'un système qui permettrait d'atteindre un taux de production 140 fois plus élevé qu'avec SPIRAL 1. La production des faisceaux d'ions radioactifs issus de fissions dans une cible d'UCx est aussi étudiée, et plus particulièrement les processus d'effusion et d'ionisation. Une étude de principe et une campagne de tests hors ligne ont permis d'acquérir des connaissances indispensables à la conception de la source à ionisation de surface de SPIRAL 2. Un premier prototype de cette source dédiée à la production d'éléments alcalins et alcalino-terreux a été réalisé et une calibration thermique a été effectuée. Les efficacités d'ionisation et de temps de réponse sur l'ensemble cible source ECR ont été mesurées à différentes températures de la cible et pour différents gaz nobles. Ces mesures ont permis d'estimer l'impact des processus d'effusion et d'ionisation sur l'efficacité de production de différents isotopes d'alcalins et de gaz nobles en fonction de leur durée de vie.

La réalisation et l'utilisation d'un spectromètre de masse opérant directement dans le faisceau externe d'un accélérateur de protons s'est avéré être un moyen d'étude très fécond de nuclides à vie courte dans les deux domaines abordés : mesure des sections efficaces de production et spectroscopie nucléaire. Les résultats obtenus au cours de ce travail ne constituent qu'une première étape et pourront être développés dans les différentes directions dont l'étude a été abordée et une extension à des éléments autres que les alcalins peut être envisagée.

Depuis quelques années, une perte du caractère magique des noyaux riches en neutrons à l'abord de la drip-line a été suggérée et observée pour N=28 neutrons. On note la présence de déformation pour ces noyaux, notamment dans le noyau de $^{44}$S, qui peut s'expliquer par une réduction modérée du gap N=28 et la quasi-dégénérescence des orbitales protons d$_{3/2}$ et s$_{1/2}$. Il demeure cependant difficile de distinguer la contribution relative des excitations neutron et proton dans la déformation. Dans le cas des isotopes du silicium, on s'attend à une stabilité de la configuration proton liée au gap en énergie de la sous-couche Z=14. C'est ainsi que le $^{42}$Si peut être considéré comme un noyau clé pour pouvoir distinguer les différents effets responsables des changements structurels observés à N=28. Pour mener à bien l'étude de ce noyau, le facteur limitant étant le taux de production accessible extrêmement faible, une expérience de spectroscopie en ligne avec double fragmentation du faisceau faisant intervenir des processus d'arrachage - dits de "knockout" - de plusieurs nucléons fut réalisée au GANIL. La mesure de l'énergie du premier état excité du $^{42}$Si, combinée à celles des noyaux de $^{38,40}$Si et la spectroscopie de noyaux $^{41,43}$P, a permis de confirmer la perte de magicité pour N=28 loin de la stabilité. Une modification de l'interaction effective utilisée dans le cadre des calculs de type modèle en couches modernes a pu être apportée, accentuant ainsi son caractère prédictif. Cette étude confirme le rôle de la force tenseur et de la dépendance en densité de l'interaction spin-orbite dans l'affaiblissement de la fermeture de couches N=28.

Cette thèse présente une étude quantitative des modes de fragmentation du fullerène C60 en collision avec des ions légers (Hn=1,2,3+ , Heq=1,2+) dans le domaine de vitesse 0,1 - 2,3 u.a.. La technique de multicorrélation (ions, électrons, énergie des électrons) employée a permis de dégager certaines dépendances et propriétés des mécanismes de fragmentation (sections efficaces, spectroscopie d'électrons, distributions de taille, énergies cinétiques des fragments, tracé de Campi, énergies d'activation). L'énergie déposée s'est ainsi révélée comme un paramètre important. Les sections efficaces ont été mesurées pour la première fois sur l'ensemble des processus collisionnels. L'ionisation et la capture ne dépendent que de la vitesse de collision. Une loi d'échelle avec l'énergie déposée a été observée pour les sections efficaces de multifragmentation. L'énergie déposée est aussi apparue comme le paramètre principal dans l'évolution des distributions de taille des fragments chargés émis. La spectroscopie des électrons (inédite sur un agrégat), réalisée à un angle d'émission de 35°, a montré des spectres piqués à des énergies d'électron importantes (de 5 à 20 eV). La forme de ces spectres dépend de la vitesse de collision. Un début d'analyse théorique semble montrer que cette structure particulière est liée à la présence d'une barrière de potentiel centrifuge. Enfin, les corrélations ions produits et énergie des électrons mettent en évidence que l'énergie des électrons augmente avec l'énergie interne.

Le détecteur ATLAS, auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC), est un détecteur polyvalent destiné à la découverte de nouvelle physique et de phénomènes nouveaux, tout en fournissant également une bonne occasion de comprendre le comportement à haute 'énergie du Modèle Standard (MS), cadre théorique bien établi qui d'écrit les particules élémentaires et leurs interactions sauf la gravité. Le LHC est le plus grand accélérateur de particule au monde conçu pour fournir des collisions frontales proton-proton 'a l'énergie encore jamais obtenue de 14 TeV dans le centre de masse pour une luminosité crée de 1034 cm−2s−1. Le LHC fonctionne aussi en mode ion lourd avec des collisions de noyaux de plomb d'une énergie de 574 TeV (92.0 J) par nucléon (2.76 TeV par paire de nucléon) et une luminosité de 1027 cm−2s−1. Le LHC et ATLAS fonctionnent superbement bien depuis 2008. En 2011, l'expérience ATLAS a recueillie 4.7 fb−1 de données de collision pp 'a 7 TeV et prévois d'enregistrer encore 25 fb−1 de donn'ees 'a 8 TeV d'ici la fin de l'année 2012. Cette thèse présente le mesure des sections efficaces de production W+W− MS et la détermination des couplages triples (TGCs) correspondants en utilisant ces 4.7 fb−1 de données 2011 de collision pp. Ces mesures permettent un test contraignant du secteur électrofaible non abélien SU(2) × U(1) du Modèle Standard; donnent l'opportunité de sonder la nouvelle physique 'a travers les couplages triples anormaux de bosons de jauge (aTGCs) qui seront observés dans la distribution des variables cinématiques des W+W− produits ou de leurs produits de d'désintégration finaux dans le secteur de haute énergie; et permettent d'avoir une bonne compréhension du bruit de fond irréductible dans la recherche du boson de Higgs dans le canal de d'désintégration H ! W+W−. Ces mesures de la production W+W− sont basées sur l'analyse des canaux de désintégration purement leptoniques avec les états finals e e , e μ and μ μ . Les principaux bruits de fond au signal W+W− sont Z+jets, W+jets, top et les autres productions dibosoniques que sont, WZ, ZZ et W/Z+ . Les bruits de fond Z+jets, W+jets et top sont estimés en utilisant des techniques dédiées et orientées données tandis que les bruits des autres canaux di-bosoniques sont estimés à partir de simulation Montevi Carlo. Un total de 1325 candidats sont sélectionnés avec un bruit de fond total estimé à 368.5 ± 60.9. La section efficace correspondante mesurée est 51.9 ±2.0 (stat) ±3.9 (syst) ±0.9 (lumi) pb. Ce résultat est compatible avec la prédiction Next-to-Leading Order (NLO) du Modèle Standard de 44.7+2.1 −1.9 pb et surpasse la précision des résultats des expériences auprès de l'accélérateur Tevatron. Les sections efficaces fiducies de chaque canal sont également mesurées et une première distribution différentielle en impulsion transverse du lepton dominant est extraite. Finalement, les TGCs des vertex WWZ etWW sont explorés en comparant le spectre en impulsion transverse observé dans le signal W+W− pour le lepton dominant aux prédictions théoriques incluant les couplages triples anormaux. Pour une coupure = 6 TeV, une limite de confiance à 95% est donnée sur kZ et Z dans les intervalles [−0.061, 0.093] et [−0.062, 0.065], respectivement (Equal Coupling Scenario). Ces limites sont plus strictes que celles données par les expériences auprès de l'accélérateur Tevatron et compétitives avec celles données par les expériences auprès de l'accélérateur LEP. Ce travail de thèse donne un base solide pour les mesures à venir de la production W+W− avec les 25 fb−1 de luminosité intégrée de données 'a 8 TeV prévue pour la fin 2012, qui conduiront vers une amélioration de la pr'ecision et des limites plus strictes sur les aTGCs.

Les mesures des constituants mineurs de l'atmosphère sont souvent réalisées à partir du sol, d'avions, de ballons ou encore par les satellites. Celles-ci sont effectuées régulièrement par des spectromètres fonctionnant dans des régions spectrales différentes, en particulier dans les domaines UV-visible et infrarouge. Or, l'analyse et l'interprétation des spectres atmosphériques requièrent une bonne connaissance des paramètres spectroscopiques. Cependant, les mesures de ces paramètres sont généralement effectuées dans un domaine spectral donné (IR ou UV) et peu d'études de laboratoire ont vérifié la cohérence entre les sections efficaces UV et IR. Il est alors difficile de comparer des profils atmosphériques déduits de mesures effectuées dans différents domaines. Le but de cette étude est donc d'intercalibrer les spectres UV et IR de composés atmosphériques en déterminant et/ou e vérifiant la cohérence des sections efficaces publiées dans la littérature. Ces expériences ont été effectuées dans la chambre de simulation du LISA, en acquérant simultanément des spectres UV et IR à température ambiante et à pression atmosphérique au sein d'une cellule optique commune. Ce travail a porté sur trois molécules clés atmosphériques : le formaldéhyde (et ses isotopes), l'ozone et l'acide nitreux. Ces composés jouent un rôle fondamental dans la physico-chimie atmosphérique puisqu'ils constituent les sources du principal oxydant de l'atmosphère : le radical hydroxyle. Ce travail de laboratoire a permis ainsi d'obtenir des spectres précis et cohérents de l'ozone, du formaldéhyde et de l'acide nitreux dans le moyen infrarouge et l'UV-visible afin d'améliorer la précision de leurs mesures.