A l'aide de deux réactions de transfert (d,3He), la première avec MUST2 au GANIL et la deuxième avec le split-pole à Orsay, nous avons déterminé la position des états trous de protons dans les noyaux riches en neutrons : le 71Cu (N=42) et le 69Cu (N=40).A partir de la désintégration beta et de la spectroscopie laser, on sait que l'état excité f5/2 chute brutalement en énergie pour N>40 et devient même l'état fondamental dans le 75Cu. Cette chute en énergie a été expliqué par des travaux théoriques notamment à cause de la force tenseur entre les protons et les neutrons. La prédiction sur le partenaire spin-orbite f7/2 est qu'il devrait sentir également un effet à cause de cette force. Expérimentalement, les états trous de proton f7/2 ne sont pas connus pour N>40. Dans le 71Cu, deux états 7/2- sont connus autour de 1 MeV d'énergie d'excitation et sont des possibles candidats pour correspondre à cet état trou de proton. L'expérience au GANIL a eu lieu en mars 2011. Un faisceau secondaire de 72Zn à 38 AMeV a été produit par fragmentation et purifié à travers le spectromètre LISE. La réaction de transfert en cinématique inverse a été étudié à l'aide des télescopes MUST2 plus quatre détecteurs de silicium de 20 micromètres dans le but d'identifier les 3He de basse énergie. Le spectre en énergie d'excitation du 71Cu a été reconstruit grâce à la méthode de la masse manquante, les distributions angulaires ont été extraite et comparé avec un modèle de réaction utilisant les codes DWUCK4 et DWUCK5. A partir de ce travail au GANIL, aucun état n'a été peuplé autour de 1 MeV concluant que le centroid de la force réside à plus haute énergie d'excitation.Nous avalons également mesuré une nouvelle fois la les états trous de proton dans le 69Cu avec la même réaction de transfert mais cette fois en cinématique directe à Orsay dans le but d'étendre les données actuelles sur ce noyau où 60% de la force f7/2 est manquante et dans le but également d'avoir une analyse consistante des facteurs spectroscopiques entre les deux noyaux. Cette analyse consistante nous permet de pouvoir comparer l'évolution du centroid de la force entre les deux isotopes quand l'orbite neutron g9/2 commence à se remplir. Dans cette seconde expérience, nous avons utilisé un faisceau de deuton à 27 MeV produit par le tandem et une cible de 70Zn. Nous avons pu extraire trois nouvelles distributions angulaires et mesurer une nouvelle partie de la force f7/2.Enfin, pour pouvoir interpréter nos résultat, des calculs modèle en couche ont été effectué par le groupe de Strasbourg avec le code Antoine. L'espace de valence utilisé consiste en un coeur 48Ca avec les orbitales protons f7/2, p3/2, f5/2, p1/2 et les orbitales neutron p3/2, f5/2, p1/2, g9/2, d5/2. Les calculs inclus jusqu'à 8p-8h et montrent que la force se situe en effet à haute énergie d'excitation et qu'aucun état de trou de proton n'est calculé autour de 1 MeV. / In two (d,3He) transfer reactions with MUST2 at GANIL and the split-pole at Orsay, we have determined the position of the proton-hole states in the neutron-rich 71Cu (N=42) and 69Cu (N=40) isotopes. We have found that in 71Cu the hole strength of the f7/2 orbital lies at higher excitation energies than expected. From beta-decay and laser spectroscopy, the f5/2 first excited particle state in these isotopes was known to come down rapidly in energy when passing N=40 and even become the ground state in 75Cu. This sudden energy shift has been explained in a number of theoretical works. The prediction for the f7/2 spin-orbit partner was that it would change in energy too through a related effect. Experimentally, the f7/2 proton-hole state is not known for N>40. In 71Cu two 7/2- states around 1 MeV are candidates to be a proton-hole.The experiment at GANIL took place in March 2011. A secondary beam of 72Zn at 38 AMeV was produced by fragmentation and purified through the LISE spectrometer. The transfer reaction in inverse kinematics was studied with the MUST2 detectors plus four 20 micrometer silicon detector to identified the 3He of low kinetic energy. The excitation spectrum of 71Cu was reconstruct thanks to the missing mass method and the angular distributions were extracted and compared with a reaction model using the DWUCK4 and DWUCK5 code. From this work no states have been populated around 1 MeV concluding that the centroid of the f7/2 lies at higher excitation energy. We then remeasured the single-particle strength in 69Cu in the corresponding (d,3He) reaction at Orsay in March 2013 in order to extend the existing data where 60% of the f7/2 strength is missing and make sure that there is a consistent analysis of spectroscopic factors between both isotopes in order to well understood and well quantify the evolution of the f7/2 orbital when we start filling the g9/2 orbital. In this second experiment we have performed the reaction in direct kinematics using a deuteron beam at 27 MeV provided by the tandem and a target of 70Zn. In this work we were able to extract three new angular distributions and we have measured a new part of the f7/2 strength.Finally in order to interpret the results we have obtained from those two experiments, state-of-the-art shell-model calculations have been carried out in collaboration with the Strasbourg group using the Antoine code. The valence space consists in a core of 48Ca with the valence orbitals for protons f7/2, p3/2, f5/2, p1/2 and the orbitals p3/2, f5/2, p1/2, g9/2, d5/2 for neutrons. The calculations have been done allowing 8p-8h and show that the strength is indeed at high energy and no f7/2 proton-hole state lies around 1 MeV in 71Cu.

Le noyau est généralement décrit comme un ensemble de protons et de neutrons liés dans un potentiel de champ moyen. Cependant afin d'obtenir une meilleure description, il convient de tenir compte des interactions locales dont principalement l'appariement. Les appariements neutron-neutron et proton-proton sont assez bien étudiés alors que ce n'est pas le cas de l'appariement neutron-proton. Celui-ci peut être soit isovectoriel similaire à l'appariement nn/pp, soit isoscalaire et donc dans ce cas vraiment méconnu. La surliaison des noyaux N=Z pourrait être une manifestation de l'appariement np.Nous avons effectué l'étude de l'appariement np par réactions de transfert de paires np. Dans ce cas il est attendu que la section efficace de transfert de paires np soit augmentée en présence d'un appariement np important. L'appariement np devrait être important dans les noyaux N=Z avec des orbitales de J élevé. Or, des faisceaux de ces noyaux ne sont accessibles que depuis le développement des installations de faisceaux radioactifs.Nous avons effectué notre expérience au GANIL (Caen) avec un montage permettant une détection des produits issus de la réaction de transfert (p, ³ He). Cette réaction met en jeu à la fois des paires np isovectorielles et isoscalaires. Nous avons utilisé des faisceaux de ⁵⁶ Ni et de ⁵²Fe permettant d'observer l'évolution de l'appariement np avec l'occupation de la couche 0f7/2.Tout d'abord, nous avons analysé les données issues de la réaction ⁵⁶Ni(p,d)⁵⁵Ni et extrait des résultats que nous avons comparé à ceux existants. Cette démarche a permis de valider la procédure d'analyse des données.Après analyse des données issues de la réaction ⁵⁶Ni(p,3He)⁵⁴Co, nous avons extrait les populations des états du ⁵⁴Co qui donnent des informations sur l'intensité relative des deux types d'appariement np pour le noyau ⁵⁶Ni et montrent que l'appariement np isovectoriel est dominant dans ce noyau.De plus, dans le cadre d'un développement d'un futur détecteur de particules chargées, un travail de R&D sur la discrimination des particules légères par la forme des signaux a été réalisé et est présenté. / A nucleus is described as a set of independent neutrons and protons linked by a mean-field potential. However, in order to have a better description one needs to take in account some residual interactions such as pairing. Neutron-neutron and proton-proton pairings are well-studied but neutron-proton pairing is not well-known. np pairing can be isovector pairing such as nn and pp pairing or isoscalar which is yet unknown. Overbinding of N=Z nuclei could be a manifestation of np pairing.We have studied np pairing through transfer reactions. In this case, the cross-section of np pair transfer is expected to be enhanced in the presence of important np pairing. np pairing is expected to be important in N=Z nuclei with high J orbitals. Since the development of radioactive beam facilities, such beams are only available.The experiment was performed at GANIL with an efficient set-up so as to detect products from the (p,³He) transfer reaction. This reaction is affected by isovector and isoscalar np pairing. We used ⁵⁶Ni and ⁵²Fe beams so as to see the effect of the occupancy of 0f7/2 shell on the np pairing.First, we analysed the data from the ⁵⁶Ni(p,d)⁵⁵Ni reaction and we compared the results with the literature to validate analysis procedure.After analysing data from the ⁵⁶Ni(p,3He)⁵⁴Co reaction and extracting the population of the various states of ⁵⁴Co, we obtained information about the relative intensity between isoscalar and isovector np pairing in ⁵⁶Ni showing the predominance of isovector np pairing in this nucleus .Moreover, in the framework of developing a new charged particle detector, R&D on the discrimination of light nuclei using pulse shape analysis was performed and is presented.

La structure nucléaire en couches sphériques évolue en allant vers des régions de plus en plus exotiques de la carte des noyaux. Par conséquent, les nombres magiques conventionnels (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) peuvent disparaître loin de la stabilité, tandis que de nouveaux apparaissent.L’évolution des gaps entre états de particule individuelle loin de la stabilité a essentiellement deux origines : les dérives monopolaires et l’augmentation de la collectivité. Les dérives monopolaires sont essentiellement dues à l’interaction proton-neutron (composante spin-isospin de l’interaction nucléaire). On se concentre dans cette thèse sur les isotopes impairs N=51 et en particulier sur 83Ge, le plus proche de 79Ni que l’on peut étudier actuellement par spectroscopie γ de précision. Pour cela, deux expériences complémentaires ont été réalisées. Une première expérience, au GANIL avec AGATA, VAMOS et le plunger OUPS a permis de mesurer les durées de vie des états excités Yrast des produits de la réaction 238U(9Be,f). Une seconde expérience pour l’étude par spectroscopie γ β-retardée de 83Ge afin de peupler les états non-Yrast a été réalisée afin d’avoir une vue d’ensemble de la spectroscopie de 83Ge.La complémentarité de ces deux expériences a permis de mettre en évidence un état intru pour la première fois au delà du gap N=50 dans 83Ge et ainsi avoir plus d’information sur l’évolution du gap νg9/2νd5/2 associé au nombre magique de spin-orbite N=50. Une analyse détaillée de ses deux expériences est présentée dans ce manuscript. De plus, une comparaison avec un modèle semi-microscopique coeur-particule est aussi réalisée. / Nuclear spherical shell structure evolves towards more and more exotic regions of the nuclear chart. Therefore, conventional magic numbers (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) can disappear while new ones appear. 
The evolution of gaps between single-particle states far from stability has essentially two origins : monopole drift and the collectivity enhancement. The monopole drifts are mostly coming from neutron-proton interaction (spin-isospin term of the nuclear interaction). In this thesis, we focused on the study of N=51 isotones and in particular 83Ge, the closest to 79Ni that can be studied nowadays by detailled γ-spectroscopy. For this purpose, two complementary experiments were performed. A first experiment, at GANIL with AGATA, VAMOS and the OUPS plunger device allowed us to measure lifetime of Yrast excited states in the 238U(9Be,f) reaction products. A second experiment for the study of β-delayed γ-spectroscopy of 83Ge was performed in order to populate non-Yrast states so that has an overview of the spectroscopy of 83Ge.The complementarity of these two experiments allowed highlighting for the first time an intruder state above the N=50 gap in 83Ge and thus, it adds information about the evolution of the νg9/2νd5/2 gap corresponding to the N=50 shell closure.A detailed analysis of both experiments is presented in this manuscript. In addition, a comparison to a semi-microscopic core-particle model is performed.

Le noyau est par essence un système complexe, composé de fermions composites fortement corrélés, soumis à la fois aux interactions forte, faible et électromagnétique. La description de sa structure interne est un enjeu important de la physique moderne. Ainsi la manière qu'ont les nucléons de s'organiser au sein des noyaux atomiques est le reflet des corrélations auxquelles ils sont soumis. On comprend alors que la complexité des interactions inter-nucléoniques se traduit par une grande richesse de schémas selon lesquels les nucléons se distribuent dans les systèmes nucléaires. Le noyau révèle une structure délocalisée où les nucléons se répartissent de façon quasi-homogène dans le volume nucléaire. Mais il peut également présenter des sous-structures localisées, appelées clusters ou agrégats nucléaires. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre des approches de type champ-moyen relativiste (RMF), permettant un traitement universel de la phénoménologie nucléaire. Dans un premier temps, nous exposerons les éléments de formalisme permettant la construction d’une telle approche en partant des interactions fondamentales qui sous-tendent la dynamique nucléonique au sein des noyaux. Néanmoins ce formalisme ne permet pas de rendre compte des propriétés expérimentales des observables nucléaires : une stricte approche de type champ-moyen, néglige de trop nombreuses classes de corrélations. Nous discuterons alors des méthodes existantes pour prendre en compte ces corrélations, de type particule-trou (déformation) ainsi que de type particules-particules (appariement). Dans un premier temps, une nouvelle méthode diagrammatique, permettant une approche perturbative des corrélations est proposée ainsi qu’une implémentation automatisée associée basée sur une théorie combinatoire. Ensuite, nous reviendrons à un traitement phénoménologique des corrélations particules-trous, pour nous focaliser sur l’impact des corrélations particules-particules. En premier lieu nous discuterons le phénomène de formation de paires nucléoniques en utilisant le langage de la théorie des graphes, langage permettant plusieurs simplifications formelles ainsi qu’une compréhension différentes de l’appariement. Les corrélations d’appariement seront tout d’abord prise en compte par une approche de type Hartree-Bogolioubov relativiste. Toutefois ce formalisme ne conservant pas le nombre de particules, nous présenterons une approche projective permettant de le restaurer. L’effet de cette restauration sur le système sera également étudié. Seront ensuite présentés les différentes implémentations et optimisations numériques, développées pendant cette thèse, pour un traitement général des déformations nucléaires. Munis de ces outils, nous reviendrons sur la formation d’agrégats nucléaires, les clusters, comme phénomène émergent issu de la prise en compte de certaines classes de corrélations. Tout d’abord des mesures de localisations et paramètres quantifiant la dispersion des fonctions d’ondes nucléoniques sont proposées, permettant d’analyser le noyau pour localiser et comprendre l’origine de l’agrégation. L’analyse de ces quantités est présentée et permet la première description unifiée de la formation de clusters aussi bien dans les noyaux légers (Néon, Magnésium) que dans les noyaux lourds émetteurs alpha (Polonium). L’émergence des clusters est ensuite décrite au travers du prisme des transitions de phases quantiques. Un paramètre d’ordre est exhibé ainsi que la caractérisation de ce phénomène en tant que transition de Mott. L’influence des corrélations d’appariement sur la formation de clusters est analysée et une étude précise des propriétés spatiales des paires de nucléons est menée pour plusieurs noyaux dans différentes régions de masses. Enfin une méthode de prise en compte de corrélations à 4-corps, dite de quartet est proposée pour tenter d’expliquer l’émergence des clusters en tant que préformation de particules alpha. / The atomic nucleus is intrinsically a complex system, composed of strongly correlated non-elementary fermions, sensitive to strong and electroweak interaction. The description of its internal structure is a major challenge of modern physics. In fact the complexity of the nucleon-nucleon interaction generates correlations which are responsible of the diversity of shapes that the nuclei can adopt. Indeed the nuclei can adopt either quasi-homogeneous shapes when nucleons are delocalized or shapes where spatially localized structure can emerge, namely nuclear clusters. This work is an extension of relativistic mean-fields approach (RMF), which allows an universal treatment of nuclear phenomenology. In a first time we will present the necessary formalism to construct such an approach starting with the fundamental interactions underlying nucleons dynamics within the nucleus. However this approach doesn't allow an accurate reproduction of experimental properties: a purely mean-field approach neglects to many correlations. Existing methods to treat both particle-hole (deformation), particle-particle (pairing) correlations will be discussed. First we will propose a new diagrammatic method, which take correlation into account in a perturbative way, the implementation of this approach using combinatory theory will be discussed. Then we will get back to a phenomenological treatment of particle-hole correlations, to focus on the impact of particle-particle. Formation of nucleonic pair will be discussed in the language of graph theory, allowing several formal simplifications and shed a different light on pairing. Pairing correlations will be at first treated using a relativistic Hartree-Bogolioubov approach. Nevertheless this formalism doesn't conserve particle number, and thus we will present a projective approach to restore it. The effect of this restoration will also be studied. Then to describe general nuclear deformation, several implementations and optimizations developed during this PhD will be presented. With this tools, clusterisation will be investigated as phenomenon emerging for certain class of correlations. Localization measure will be derived allowing a clearer understanding of cluster physics. The analysis of theses quantities makes possible a first unified description of cluster formation both for light nuclei (Neon) or for heavy alpha emitters (Polonium). Cluster emergence will be described as a quantum phase transition, an order parameter will be displayed and this formation will be characterized as a Mott transition. The influence of pairing correlations on cluster formation is studied and a detailed study of pairs spatial properties is performed for nuclei from several mass regions. Lastly a method allowing treatment of 4-body correlations (quartteting) is proposed to explain cluster emergence as alpha particle preformation.

Une bonne compréhension et une bonne capacité de prédiction de la section efficace de diffusion de neutron est essentielle à un grand nombre de technologies nucléaires, parmi lesquelles les réacteurs à fission. Pour les noyaux déformés, le calcul des observables de diffusion de nucléon pour la voie élastique et les premiers états excités de basse énergie requiert l'utilisation de calcul en voies couplées. Des potentiels optique et de transition phénoménologiques locaux sont le plus couramment utilisés dans les analyses par voies couplées, mais leur précision en dehors de leur domaine d'ajustement est imprévisible. Des approches microscopiques sont en cours de développement pour augmenter les capacités prédictives et résoudre les problèmes d'extrapolation. Un potentiel obtenu microscopiquement est non local, et de récentes études ont souligné l'importance de traiter explicitement cette non localité sans passer par une procédure de localisation. Notre but dans ce travail est d'étudier dans une approche microscopique, sans paramètre ajustable, l'impact de la non localité des potentiels sur les observables de diffusion de nucléon sur noyau cible. Pour ce faire, nous étudions la diffusion de neutron avec la matrice G de Melbourne qui représente l'interaction entre le projectile et un nucléon de la cible, et nous utilisons la RPA pour décrire la structure de la cible dans le cadre de nos premières applications sur le ⁹⁰Zr. Pour pouvoir étudier aussi des noyaux déformés, nous menons notre étude dans le cadre des voies couplées. La première partie de ce document contient la dérivation, faite dans un cadre unique et cohérent, des équations couplées pour la diffusion de nucléons et des potentiels microscopiques obtenues avec la matrice G de Melbourne et une description de la cible via la RPA. La deuxième partie est dédiée à la présentation des codes que nous avons développés durant ce projet de thèse : MINOLOP pour le calcul de potentiels microscopiques à partir de la matrice G de Melbourne et d'informations de structure données sous la forme d'une densité à 1 corps, et ECANOL pour la résolution des équations en voies couplées avec des potentiels non locaux en entrée. Enfin, nous présentons nos premières applications basées sur ces deux codes : l'étude d'émission de pré-équilibre due à des excitations à 2 phonons dans le ⁹⁰Zr. / A good understanding and prediction capacity of neutron scattering cross sections is crucial to many nuclear technologies, among which all kinds of reactors based on fission process. For deformed nuclei, the computation of scattering observables for the elastic channel and the first, low-lying excited states requires coupled channel calculations. Local, phenomenological optical and macroscopic transition potentials are the most commonly used in coupled channel analyses, but their accuracy outside of their fitting range remains unpredictable. Microscopic approaches are being developed in order to improve prediction power and solve the extrapolation issue. Potentials obtained microscopically are nonlocal, and recent studies have emphasized the importance of treating explicitly this nonlocality, without using a localization procedure. Our goal in the present work is to study in a quantum framework with no adjustable parameter, the impact of the nonlocality of potentials on scattering observables of nucleon-nucleus reactions. To achieve this we study neutron scattering with the Melbourne G matrix, which represents the interaction between the projectile and one nucleon of the target, and we describe the target’s structure using the RPA for our first applications to ⁹⁰Zr. In order to be able to study also deformed nuclei, we do our study in the coupled channel framework. The first part of this paper is dedicated to the derivation in a unique, consistent scope of coupled equations for nucleon-nucleus scattering and of the potentials obtained with the Melbourne G matrix and RPA structure input. Secondly, we describe the codes which we wrote during this Ph.D. project: MINOLOP for the computation of microscopic potentials using the Melbourne G matrix and structure inputs given in terms of a 1-body density, and ECANOL for the resolution of coupled channel equations using nonlocal potentials as input. Eventually, we present our first applications using these two codes to study pre-equilibrium emissions due to 2-phonon excitations in ⁹⁰Zr.

L'un des principaux défis de la physique nucléaire moderne est de comprendre la structure nucléaire des éléments les plus lourds. Les barrières de fission calculées dans le modèle de la goutte liquide macroscopique ne parviennent pas à expliquer la stabilité des noyaux avec un nombre de protons Z≥90. Cette barrière disparaît pour les éléments transfermium (Z≥100) qui ne sont donc stabilisés que par des effets quantiques de couche. Les noyaux lourds sont un laboratoire unique pour étudier l'évolution de la structure nucléaire dans des conditions extrêmes de masse et de champ Coulombien. Bien que de nombreuses théories s’accordent sur l'existence d’un « îlot de stabilité », les prédictions sur son emplacement exact en terme de nombre de protons et neutrons varient grandement. Les études expérimentales des noyaux transfermium s’avèrent donc essentielles pour contraindre les modèles théoriques et mieux comprendre l’évolution des couches nucléaires.L'interaction entre le mouvement des particules individuelles et les degrés de liberté collectifs du noyau a été investiguée dans le 251Fm par le biais de la spectroscopie combinée délectrons de conversion interne et de photons γ. Les états excités du 251Fm ont été peuplés dans la décroissance α du 255No, produit dans les 2 réactions suivantes: 208Pb(48Ca, 1n)255No et 209Bi(48Ca, 2n)255Lr. Les expériences ont été réalisées au JINR, FLNR, Dubna. Les faisceaux intenses ont été délivrés par le cyclotron U-400, et les séparateurs VASSILISSA ou SHELS ont été utilisés pour sélectionner les résidus de fusion-évaporation. Le spectromètre GABRIELA a été utilisé pour effectuer des mesures des propriétés de décroissance caractéristique corrélées en temps et en position pour isoler les noyaux d'intérêt. La spectroscopie d'électrons de conversion interne du 251Fm a été réalisée pour la première fois. Ces mesures ont permis d'établir les multipolarités de plusieurs transitions et de quantifier le rapport de mélange M2/E3 dans la désintégration de l'isomère 5/2+. Le B (E3) valeur extraite est comparée à celles des autres membres de la chaîne isotonique N=151 et les calculs QRPA utilisant l'interaction effective de Gogny.Au cours de ce travail, une nouvelle méthode graphique d’extraction des rapports de mélange de transitions nucléaires a été développé. Cette méthode intuitive et illustrative et ses limites d'application, ainsi que certains aspects du calcul des rapports de mélange au-delà de ces limites, sont décrites et discutées.Les détecteurs silicium double-face à strips (DSDS) sont largement utilisés en spectrométrie nucléaire, en particulier au plan focal de séparateurs pour détecter l'implantation et la désintégration ultérieure des noyaux les plus lourds. Il a été constaté que la présence de strips mécaniquement déconnectés sur une face du DSDS peut conduire à l'apparition de pics d'énergie abaissée sur la face opposée en raison de la variation de la capacité totale. Cet effet, ainsi que les méthodes de correction du spectre, ont été étudiés et discutés. L'utilisation de simulations GEANT4 pour résoudre les effets de sommation α-ECI dans le DSDS et pour contraindre les coefficients de conversion interne des transitions impliquées dans la désexcitation du noyau d’intérêt est présentée à l’aide de l’exemple du 221Th.Une bonne partie des travaux ont été consacrés à la R&D pour un nouveau système électronique numérique pour le spectromètre GABRIELA et aux tests comparatifs de plusieurs cartes d'acquisition numériques. Les résultats de ces tests, ainsi que les algorithmes de traitement numérique du signal mis en œuvre pour une analyse non biaisée hors ligne sont présentés. / One of the major challenges of modern nuclear physics is to understand the nuclear structure of the heaviest elements. Fission barriers calculated within the macroscopic liquid drop model fail to explain the stability of nuclei with a number of protons Z≥90. Transfermium elements (Z≥100) have a vanishing liquid-drop barrier and are solely stabilized by quantum shell effects. They provide a unique laboratory to study the evolution of nuclear structure under the extreme conditions of large mass and strong Coulomb force. Though many theories agree on the existence of an “Island of Stability”, the predictions on its exact location in terms of number of protons and neutrons vary greatly. Hence the systematic study of transfermium nuclei is essential to constrain theoretical models and to get a better understanding of the evolution of nuclear shells.The interplay between single-particle and collective degrees of freedom in 251Fm was investigated by means combined internal conversion electron (ICE) and γ-ray spectroscopy. Excited states in 251Fm were populated via the α-decay of 255No produced in the two following fusion-evaporation reactions: 208Pb(48Ca, 1n)255No and 209Bi(48Ca, 2n)255Lr. The experiments were performed at the FLNR, JINR, Dubna. The intense beams were delivered by the U-400 cyclotron and the separators VASSILISSA or SHELS were used to select fusion evaporation residues. At their focal planes the GABRIELA spectrometer was used to perform a time and position correlated measurement of the characteristic decay properties to further isolate the nuclei of interest. ICE spectroscopy of 251Fm was performed for the first time. These measurements allowed to establish the multipolarities of several transitions in 251Fm and to quantify the M2/E3 mixing ratio in the decay of the low-lying 5/2+ isomer. The extracted B(E3) value is compared to those found in other members of the N=151 isotonic chain and to the QRPA calculations using the Gogny effective interaction.During this work, a novel graphical method of extracting mixing ratios for nuclear transitions has been developed. This intuitive and illustrative method and it’s limits of applicability, as well as certain aspects of the calculation of mixing ratios beyond these limits, are described and discussed.Double-sided silicon strip detectors (DSSD) are widely used in nuclear spectrometry, in particular at the focal plane of separators to detect the implantation and subsequent decay of the heaviest nuclei. It was found that the presence of mechanically disconnected strips on one face of the DSSD may lead to the occurrence of lower energy peaks on the opposite face due to the change of the total capacitance. This effect, along with the methods of restoring the correct spectra, has been studied and discussed. The use of GEANT4 simulations for resolving α-ICE summing in the DSSD and for constraining the internal conversion coefficients of the transitions involved in the decay of the nucleus of interest is presented with the example of 221Th.A significant part of the thesis work was dedicated to the R&D for a new digital electronics system for the GABRIELA spectrometer and to the comparative tests of several digital acquisition cards. The results of these tests, as well as the digital signal processing algorithms implemented for an unbiased off-line analysis are presented.

L’objectif de cette thèse est l'étude par spectroscopie laser colinéaire à haute résolution de la structure nucléaire des isotopes d’étain riches en neutrons, vers de la fermeture de couche N=82 et au-delà. Les structures hyperfines et les déplacements isotopiques le long de ¹⁰⁸⁻¹³⁴Sn ont été mesurés en utilisant l’expérience COLLAPS à ISOLDE au CERN. Deux expériences indépendantes, utilisant des propriétés de transitions complémentaires l’une à 452 et l’autre à 286 nanomètres, ont étudiées les états 5p6s ¹P₁ et 5p6s ³P₁ dans l'atome neutre. L'état singlet fournit une sensibilité élevée au moment quadrupolaire tandis que le triplet facilite une grande séparation magnétique. A partir d'une analyse auto-cohérente des deux ensembles de données, les spins nucléaires, les moments électromagnétiques et les rayons de charge ont été extraits. Les propriétés des isomères à vie longue des noyaux ¹¹³Sn, ¹²³Sn, ¹²⁸Sn ainsi que l'état fondamental de ¹³³Sn et ¹³⁴Sn ont été évalués pour la première fois. Les moments quadrupolaires des états 11/2⁻, déterminés avec une plus grande précision que les études précédentes, suivent une tendance presque linéaire. Un coude à N=82 dans la courbe des rayons a été observé pour la première fois. Des calculs de champ moyen fournissent une description précise des rayons et relient en outre la tendance globale aux corrélations provenant des fluctuations des moments quadrupolaires. / The aim of this thesis is the study of nuclear structure properties of the neutron-rich Sn isotopes towards the N=82 shell closure and beyond by high-resolution collinear laser spectroscopy. The hyperfine structures and isotope shifts along ¹⁰⁸⁻¹³⁴Sn were measured using the COLLAPS instrumentation at ISOLDE, CERN. Two independent experiments using transitions with complementary properties, respectively at 452 and 286 nanometres studied the 5p6s ¹P₁ and the 5p6s ³P₁ states in the neutral atom. The singlet state provided high sensitivity to quadrupole moments while the triplet facilitated a large magnetic splitting. From a self-consistent analysis of the two data sets, nuclear spins, electromagnetic moments and charge radii have been extracted. The properties of the long-lived isomers in ¹¹³Sn, ¹²³Sn, ¹²⁸Sn and the ground state of ¹³³Sn and ¹³⁴Sn have been assessed for the first time. The quadrupole moments of the 11/2⁻ states, determined with much higher precision than in previous studies, have been found to follow a nearly linear trend. A "kink" in the radii trend at N=82 was observed for the first time. Beyond mean-field calculations provide an accurate description of the radii and further relate the overall trend to correlations stemming from the fluctuations of the quadrupole moments.

The underlying structure in the region A~100, N~60 has been under intensive and extensive investigation, mainly by β-decay and γ-ray spectroscopy from fission processes. Around N~60, by adding just few neutrons, protons a rapid shape change occurs from spherical-like to well deformed g.s. shape. Shape coexistence has been observed in the Sr and Zr nuclei, and is expected to take place in the whole region. The mechanisms involved in the appearance of the deformation is not well understood. The interplay between down-sloping and up-sloping neutron Nilsson orbital is evoked as one of the main reasons for the sudden shape change. However, a clear identification of the active proton and neutron orbitals was still on-going. For that purpose, the neutron rich ⁹³′⁹⁵′⁹⁷′⁹⁹Rb isotopes have been studied by Coulomb excitation at CERN (ISOLDE) using the REX-ISOLDE post-accelerator and the MINIBALL setup. The completely unknown structures of ⁹⁷′⁹⁹Rb have been populated and observed. Prompt γ-ray coincidences of low-lying states have been observed and time correlated to build level schemes. The associated transition strengths have been extracted with the GOSIA code. The observed matrix elements of the electromagnetic operator constituted new inputs of further theoretical calculations giving new insight on the involved orbitals. The sensitivity of such experiment can be increased using nuclear spin polarized RIB. For that purpose the Tilted Foils Technique (TFT) of polarization has been investigated at CERN. A new TFT polarizer with a β-NMR setup have be created and installed after REX-ISOLDE. The uncomplete knowledge of the polarization process associated to the technique needs to be investigated. Conclusive preliminary tests have been performed on ⁸Li in order to determine the potential of the present setup. / La structure sous-jacente dans la zone A~100, N~60 a été étudié intensivement et extensivement, principalement par décroissance β et spectroscopie γ suite à des réactions de fission. Autour de N~60, en ajoutant juste quelques neutrons, protons un changement de forme rapide des états fondamentaux se produit, allant de sphérique à bien déformé. La coexistence de forme observée dans les noyaux de Sr et Zr est supposée avoir lieu dans toute la région. Les mécanismes impliqués dans l'apparition de la déformation n'étaient pas clairement identifiés. L'interaction entre les orbitales de Nilsson montantes et descendante est évoqué comme l'une des principales raisons du changement de forme. Cependant, une identification claire des orbitales proton et neutron en jeu était nécessaire. A cet effet, l'étude des isotopes ⁹³′⁹⁵′⁹⁷′⁹⁹Rb riches en neutrons a été réalisé excitation Coulombienne au CERN (ISOLDE) en utilisant le post-accélérateur REX-ISOLDE et le dispositif Miniball. Les structures excitées encore inconnues des isotopes ⁹⁷′⁹⁹Rb ont été peuplées et observées. Les coïncidences de transitions γ des états de basse énergie ont été observées et leur corrélations ont permis la construction de schémas de niveaux. Les probabilités de transitions associées ont été extraites grâce code GOSIA. Les éléments de matrice de l'opérateur électromagnétique observées constituent de nouveaux apports afin d'effectuer de nouveaux calculs théoriques permettant de statuer sur les orbitales impliquées. La sensibilité des expériences de ce type peut être accrue en utilisant des faisceaux radioactifs d'ions dont le spin nucléaire est polarisé. La technique de polarisation des feuilles orientées (TFT) fut étudiée dans ce but au CERN. Un nouveau polariseur TFT et un dispositif β-NMR ont être créés et installés après REX-ISOLDE. La connaissance du processus de polarisation associé à la technique reste incomplète à ce jour et de plus amples études sont nécessaires. Des tests préliminaires prometteurs ont été effectués sur le noyau de ⁸Li afin de déterminer le potentiel du dispositif actuel.

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude des noyaux avec quelques trous dans la fermeture de couche N = 82, qui présente une très riche variété d'excitations à hauts spins. La particularité de ces noyaux est la présence de coexistence de forme (sphérique et/ou triaxiale) à des spins très élevés. Durant ma thèse, j’ai analysé une expérience effectuée avec le multidétecteur Euroball à l’IPHC (Strasbourg) pour l'étude des états de haut spin dans le noyau ¹⁴¹Nd, peuplé en utilisant la réaction de fusion-évaporation : ⁹⁶Zr (⁴⁸Ca, 3n). Nous avons identifié plusieurs bandes à spin élevé et développé le schéma de niveaux jusqu'à une énergie d'excitation et spin de l’ordre de 19 MeV et 81/2⁻ respectivement, qui sont bien plus élevés par rapport à celui publié précédemment (9.4 MeV et 49/2h). Trois nouvelles bandes dipôlaires et trois nouvelles bandes rotationnelles quadrupolaires ont été identifiées. La séquence principale yrast a aussi été étendue jusqu’au spin 61/2⁻.Nous avons réalisé des calculs théoriques détaillés des bandes observées, en intégrant, pour la première fois, les résultats qu’on a obtenus par les modèles Cranked Nilsson-Strutinsky (CNS) et Tilted Axis Cranking (TAC). Une interprétation cohérente de la plupart des bandes observées a été réalisée, qui semblent être basées sur des minimas d’énergies presque sphérique pour les séquences principales, légèrement déformée pour les bandes dipoalires et triaxiale déformée pour les bandes quadrupolaires. La structure de niveau observée dans le noyau ¹⁴¹Nd révèle la capacité des noyaux avec quelques trous dans la fermeture de couche N = 82 à acquérir des formes différentes de tourner autour d'un axe principal ou d'un axe incliné par rapport au système de référence intrinsèque, comme dans le cas des noyaux ¹³⁸Nd et ¹⁴⁰Nd récemment étudiés par notre groupe. Tous ces résultats représentent donc un fort soutien à l'existence de la forme nucléaire triaxiale stable à hauts spins dans cette région de masse. / This PhD work was devoted to the study of exotic nuclear rotation and stable triaxiality at very high spin. In, nuclei with a few holes in the N = 82 shell closure, which exhibit a large variety of excitations at medium and high spins. The peculiar feature of these nuclei is the existence of coexisting shapes, spherical and triaxial, up to very high spins.During my PhD I analyzed an experiment performed with the Euroball multidetector at IPHC (Strasbourg) for the study of high-spin states in ¹⁴¹Nd populated using the ⁹⁶Zr (⁴⁸Ca, 3n) fusion-evaporation reaction. We have identified several high-spin bands and developed the level scheme up to an excitation energy and spin of 19 MeV and 81/2⁻ , respectively, which are much higher than previously published (9.4 MeV and 49⁄2 ℏ). Three new dipole bands and three new ΔI = 2 rotational bands have been identified. The main yrast sequence was extended up to spin 61/2⁻.A detailed interpretation of the observed bands was performed, for the first time, using theoretical calculations with Cranked Nilsson-Strutinsky (CNS) and the Tilted Axis Cranking (TAC) models. A consistent interpretation of most of the observed bands was realized. They appear to be based on nearly spherical for the main sequence, slightly deformed for the dipole bands and triaxially deformed minima for the ΔI = 2 bands. The observed level structure of ¹⁴¹Nd reveals the capability of the nuclei with a few holes in the N = 82 shell closure to acquire different shapes and to rotate around a principal or a tilted axis relative to the intrinsic reference system, as in the case of the ¹³⁸Nd and ¹⁴⁰Nd nuclei recently studied by our group.

Les études de structure et de spectroscopie réalisées sur les noyaux radioactifs durant les trois dernières décennies ont montré que la structure en couches des noyaux évolue vers la drip-line et que de nouveaux nombres magiques peuvent apparaître. Les noyaux doublement magiques sont très rares mais ils représentent des tests très contraignants pour les théories et leur modélisation de l'interaction nucléaire.Dans ce contexte, nous avons étudié la structure et la spectroscopie du noyau doublement magique d'oxygène 24, situé à la drip-line neutron, via la diffusion élastique et inélastiques de protons (p,p'). L'expérience a été effectuée à RIKEN sur la ligne BigRIPS, avec le faisceau de noyaux d'oxygène 24 produit à 263 MeV/n par RIBF à une intensité inégalée (1780/s), et le détecteur de particules chargées de dernière génération MUST2. L'analyse des données de cette thèse a permis de reconstruire : le spectre en énergie d'excitation du noyau d'oxygène 24 jusqu'à 35 MeV à partir de la cinématique des protons diffusés en utilisant la méthode de la masse manquante, et la distribution angulaire entre 4 et 30 degrés c.m. de la section efficace élastique exclusive (p,p) via une triple coïncidence noyau-proton-noyau. Sous le seuil de séparation de deux neutrons (S2n) la statistique est trop faible pour obtenir les deux états excités mesurés par deux expériences menées à plus basse énergie incidente. Au dessus du S2n des structures sont observées pour la première fois grâce à la gamme étendue accessible en énergie d'excitation. La mesure des états excités situés à ces énergies permettrait de tester les études théoriques menées sur les excitations dipolaires de basse énergie des noyaux légers riches en neutrons. La statistique obtenue pour la diffusion élastique de protons est suffisante pour extraire la distribution angulaire exclusive (p,p) des isotopes d'oxygène 24,23,22,21. Ces résultats constituent une référence inédite pour étudier le potentiel d'interaction proton-noyau autour de 260 MeV/n. La comparaison entre les données élastiques et les calculs de réaction réalisés à partir d'un potentiel microscopique, dépendant de la densité du noyau et construit avec la matrice G, nous indique que ce potentiel est satisfaisant; mais que l'inclusion, dans un futur modèle en voies couplées à haute énergie, de l'élastique et du knockout de quelques neutrons apparaît nécessaire. Les rayons quadratiques moyens des derniers isotopes pair-pair liés d'oxygène ont pu être estimés : rm(22O)=3+-0.1 fm et rm(24O)=3.25+-0.2 fm. / The studies of structure and spectroscopy performed on radioactive nuclei during the last three decades have shown that the nuclear shell structure changes towards the drip-line and local magic numbers may appear. Doubly-magic nuclei are very rare but represent stringent tests for theories and their modelling of the nuclear interaction.In this context, we have investigated the structure and spectroscopy of the drip-line doubly-magic nucleus 24O via proton elastic and inelastic scattering (p,p'). The experiment was performed at RIKEN in the BigRIPS line, using the 24O beam produced at 263 MeV/n with RIBF with a high intensity (1780/s), and the state-of-the-art MUST2 charged particle detector. The analysis of the data gives the reconstruction of : the 24O excitation energy spectrum up to 35 MeV with the scattered proton kinematics using the missing mass method, and the angular distribution of exclusive (p,p) elastic cross section between 4 and 30 degrees c.m. via a triple coincidence nucleus-proton-nucleus. Below the two-neutron separation threshold (S2n) the statistics is too low to obtain the two excited states measured by previous experiments done at lower incident energies. Above the S2n structures are observed for the first time due to the large excitation energy range of the excitation spectra. The measurement of the excited states located at these energies would allow to test theoretical studies of low-energy dipole excitation in light neutron-rich nuclei. The statistics obtained for proton elastic scattering is sufficient to extract the exclusive (p,p) angular distributions of the 24,23,22,21O isotopes. These results constitute a new benchmark to explore proton-nucleus interaction potential features around 260 MeV/n. The comparison of elastic data set to the reaction calculations done with the microscopic reaction approach based on the G-matrix density-dependent potential indicates that this potential is suitable. However, it remains to include both the elastic and the knockout reactions in a future complete coupled channel reaction model at high energy. The root-mean-square radii of the two last bound even-even isotopes have been estimated: rm(22O)=3+-0.1 fm et rm(24O)=3.25+-0.2 fm.