Les réactions induites par des nucléons dans le domaine d'énergie entre 20-200 MeV font depuis longtemps l'objet d'études intensives. Les processus d'évaporation et de pré-équilibre dans ces réactions ont une contribution importante à la section efficace de production. Plusieurs approches théoriques ont été proposées afin de l'expliquer et leur pouvoir prédictif doit être vérifié. Les résultats expérimentaux présentés dans ce travail représentent le seul ensemble complet de mesure pour des réactions du type (n, Xn) dans ce domaine d'énergie.<br />Réalisées au laboratoire TSL à Uppsala (Suède), les expériences ont eu comme objectif la mesure des sections efficaces doublement différentielles de production de neutrons dans des réactions induites par des neutrons de 96 MeV sur des cibles de Fe et de Pb, pour la première fois avec un seuil en énergie de 2 MeV et dans un domaine angulaire important (15°-98°). La détection des neutrons a été effectuée en utilisant deux dispositifs expérimentaux indépendants, DECOI&DEMON et CLODIA&SCANDAL, afin de couvrir tout le domaine d'énergie (2-100 MeV). Des sections efficaces doublement différentielles nous avons extrait les distributions angulaires, les distributions en énergie ainsi que les sections efficaces totales de production inélastiques.<br />Les résultats obtenus ont été comparés avec les prédictions données par deux des codes les plus utilisés, GEANT3 et MCNPX, ainsi qu'avec le modèle de simulation microscopique DYWAN choisi pour son originalité dans le traitement des réactions nucléon-noyau.

Le but principal de la collaboration GBAR est de mesurer le comportement d'atomes d'antihydrogène sous l'effet de la gravité terrestre. Ceci est fait en mesurant la chute libre classique d'atomes d'antihydrogène, qui est un test direct du principe d'équivalence faible pour l'antimatière. La première étape de l'expérience est de produire des ions d'antihydrogène et de les amener dans un piège de Paul, où ils peuvent être refroidis à une température de l'ordre du μK en utilisant la technique du refroidissement sympathique avec des ions Be⁺ eux-mêmes mis dans leur état fondamental par la technique Raman à bande latérale. Une température de l'ordre du μK correspond à une vitesse de la particule de l'ordre de 1 m/s. Une fois cette vitesse atteinte, l'ion antihydrogène peut être neutralisé et commence sa chute. Ceci permet une précision de 1 % sur la mesure de l’accélération gravitationnelle g pour l’antimatière avec environ 1500 événements. Cependant, pour mesurer la chute libre, il faut d'abord produire l'ion antihydrogène. Celui-ci est formé dans les réactions d'échange de charge entre des antiprotons et des antihydrogènes avec du positronium. Positronium et atomes d'antihydrogène peut se trouver soit à l’état fondamental, soit dans un état excité. Une étude expérimentale de la mesure de la section efficace de ces deux réactions est décrite dans cette thèse. La production de l'atome d'antihydrogène ainsi que de l'ion se passe à l’intérieur d'une cavité. La formation d'un antihydrogène ion lors d'une interaction entre faisceaux requiert environ 5x10⁶ antiprotons/paquet et quelques 10¹¹ Ps/cm⁻³ de densité de positronium à l’intérieur d'une cavité. Celle-ci est produite par un faisceau contenant 5x10¹⁰ positrons par paquet. La production de faisceaux aussi intenses avec les propriétés requises est en soi un challenge. Le développement de la source de positrons de GBAR est décrite. Celle-ci est basée sur un accélérateur linéaire à électrons de 9 MeV. Le faisceau d’électrons est incident sur une cible de tungstène où les positrons sont créés par rayonnement de freinage (gammas) et création de paires. Une partie des positrons ainsi créés diffusent à nouveau dans un modérateur de tungstène en réduisant leur énergie à environ 3 eV. Ces particules sont re-accélérées à une énergie d'environ 53 eV. Aujourd'hui, le flux mesuré de positrons est au niveau de 6x10⁷ e⁺/s, soit quelques fois. Puis la thèse comporte une courte description des préparatifs pour les faisceaux d'antiprotons ou de protons, terminée par un chapitre sur le taux de production attendu d'atomes et d'ions d'antihydrogène. En aval de la réaction, les faisceaux d'antiprotons, d'atomes et d'ions d'antihydrogène sont guidés vers leur système de détection. Ceux-ci ont été conçus de façon à permettre la détection d'un à plusieurs milliers d'atomes d'antihydrogène, un seul ion antihydrogène et tous les 5x10⁶ antiprotons. Ceci est particulièrement difficile parce que l'annihilation des antiprotons crée beaucoup de particules secondaires qui peuvent perturber la mesure d'un atome ou ion. La majeure partie de la thèse consiste en la description des bruits de fond attendus pour la détection des atomes et ions d'antihydrogène. De plus, le système de détection permet de mesurer les sections efficaces pour les réactions symétriques de production d'atomes et d'ions hydrogèene par échange de charge entre protons et positronium. La partie production d’antihydrogène ions de l’expérience a été complètement installée au CERN en 2018. Les premiers tests avec des antiprotons provenant du décélérateur ELENA ont été effectués. Actuellement, l’expérience est testée avec des positrons et des protons, de façon à former des atomes et ions hydrogène. Une optimisation de la production de ces ions de matière aidera à se préparer pour la prochaine période de faisceau d'antiprotons en 2021. / The main goal of the GBAR collaboration is to measure the Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest. It is done by measuring the classical free fall of neutral antihydrogen, which is a direct test of the weak equivalence principle for antimatter. The first step of the experiment is to produce the antihydrogen ion and catch it in a Paul trap, where it can be cooled to μK temperature using ground state Raman sideband sympathetic cooling. The μK temperature corresponds to particle velocity in the order of 1 m/s. Once such velocity is reached, the antihydrogen ion can be neutralised and starts to fall. This allows reaching 1 % precision on the measurement of the gravitational acceleration g for antimatter with about 1500 events. Later, it would be possible to reach 10⁻⁵ - 10⁻⁶ precision by measuring the gravitational quantum states of cold antihydrogen. However, in order to measure the free fall, firstly the antihydrogen ion has to be produced. It is formed in the charge exchange reactions between antiproton/antihydrogen and positronium. Positronium and antihydrogen atoms can be either in a ground state or in an excited state. An experimental study of the cross section measurement for these two reactions is described in the presented thesis. The antihydrogen atom and ion production takes place in a cavity. The formation of one antihydrogen ion in one beam crossing requires about 5x10⁶ antiprotons/bunch and a few 10¹¹ Ps/cm⁻³ positronium density inside the cavity, which is produced with a beam containing 5x10¹⁰ positrons per bunch. The production of such intense beams with required properties is a challenging task. First, the development of the positron source is described. The GBAR positron source is based on a 9 MeV linear electron accelerator. The relatively low energy was chosen to avoid activation of the environment. The electron beam is incident on a tungsten target where positrons are created from Bremsstrahlung radiation (gammas) through the pair creation process. Some of the created positrons undergo a further diffusion in the tungsten moderator reducing their energy to about 3 eV. The particles are re-accelerated to about 53 eV energy and are adiabatically transported to the next stage of the experiment. Presently, the measured positron flux is at the level of 6x10⁷ e⁺/s, which is a few times higher than intensities reached with radioactive sources. Then, the thesis features a short description of the antiproton/proton beam preparations, finalised with a chapter about the expected antihydrogen atom and ion production yield. After the reaction, antiproton, antihydrogen atom, and ion beams are guided to the detection system. It is made to allow for detection from 1 to a few thousand antihydrogen atoms, a single antihydrogen ion and all 5x10⁶ antiprotons. It is especially challenging because antiproton annihilation creates a lot of secondary particles which may disturb measurements of single antihydrogen atoms and ions. The main part of the Thesis is the description of the expected background for the antihydrogen atom and ion detection. Additionally, the detection system allows measuring the cross sections for the symmetric reactions of a hydrogen atom and ion production through charge exchange between protons and positronium. The antihydrogen ion production part of the experiment was fully installed at CERN in 2018. The first tests with antiprotons from the ELENA decelerator were done. Currently, the experiment is being commissioned with positrons and protons, in order to perform the hydrogen atom and ion formation. The optimisation of the ion production with matter will help to be fully prepared for the next antiproton beam time in 2021.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit porte sur l'étude de la fragmentation du 12C à 95 MeV par nucléon par collision nucléaire avec des cibles épaisses de PMMA. Cette étude est motivée par le développement d'une nouvelle technique d'irradiation des tumeurs cancéreuses : la thérapie par ions carbone ou hadronthérapie. L'objectif est de comparer des mesures expérimentales de fragmentation avec des simulations GEANT4 afin de tester différents modèles nucléaires. Le but recherché est de déterminer si les modèles sont suffisamment prédictifs au regard des critères exigés en hadronthérapie : 3% d'incertitude sur le dépôt de dose en fin de parcours. Pour atteindre cet objectif, une première expérience a été réalisée au GANIL avec un faisceau de 12C à 95 MeV par nucléon et des cibles épaisses de PMMA. Cette expérience a permis d'obtenir les taux de production, les distributions angulaires et énergétiques des différents fragments produits lors des collisions nucléaires. Des comparaisons entre ces données expérimentales et les résultats simulés obtenus par le modèle de cascade binaire intra-nucléaire (BIC) et le modèle de dynamique moléculaire quantique (QMD) disponibles dans GEANT4 ont été effectuées. Ces comparaisons font ressortir l'inaptitude des modèles testés à reproduire la fragmentation du carbone à 95 MeV par nucléon avec la précision requise en hadronthérapie.

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.

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.

Afin d'améliorer les modèles nucléaires et d'atteindre la précision requise pour un code de simulation de référence en hadronthérapie, deux expériences ont été réalisées par notre collaboration en mai 2011 et en septembre 2013 au GANIL. Leur but est d'étudier les réactions nucléaires à 95 MeV/A du 12C sur les cibles minces d'intérêt médical pour mesurer les sections efficaces doublement différentielles de fragmentation pour chaque isotopes produits. Ces données expérimentales ont été comparées à des simulations Monte-Carlo. Différents modèles nucléaires disponibles dans le logiciel de simulation GEANT4 ont dans un premier temps été testés. Des écarts avec les données expérimentales allant jusqu'à plus d'un ordre de grandeur ont été observés. Le modèle phénoménologique HIPSE a ensuite été utilisé et a démontré que la prise en compte de la zone de recouvrement géométrique des noyaux en collisions doit être prise en compte afin de reproduire la cinématique des fragments créés aux énergies intermédiaires. Devant les difficultés rencontrées par ces modèles pour reproduire les données expérimentales, un nouveau modèle, le modèle a finalement été développé, le modèle SLIIPIE. Il s'agit d'un modèle semi-microscopique, construit sur une approche géométrique participant-spectateur. Les résultats de ce modèle ont été comparés aux données expérimentales pour la réaction 12C+12C à 95 MeV/A et donne des résultats prometteurs.