La double désintégration β est un type de radioactivité rare. On en distingue deux types : la double désintégration β avec émission de neutrinos permise par le Modèle Standard, et sans émission de neutrinos, en revanche interdite. La mise en évidence de la double désintégration β sans émission de neutrino permettrait d'accéder à l'échelle de masse du neutrino et de connaître sa nature (particule de Dirac ou de Majorana). L'expérience NEMO recherche le processus de double désintégration β sans émission de neutrino à l'aide du détecteur NEMO3, qui renferme 10 kg d'isotopes radioactifs double β, dont 932 g de 82Se. L'analyse des données de l'expérience relatives au 82Se consiste en la recherche d'un signal correspondant au processus interdit. La première partie de ce travail a consisté à définir un modèle du bruit de fond de l'expérience pour la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrino. Le détecteur NEMO3 permet la mesure de ses propres bruits de fond. Une étude détaillée des sources de bruit de fond de l'expérience est effectuée à partir des données enregistrées par le détecteur. La seconde partie de ce travail a permis de donner une limite supérieure sur la période de la double décroissance bêta sans émission de neutrino du 82Se pour plusieurs mécanismes : l'échange de neutrinos légers de Majorana, l'interaction faible à courant droit et l'émission de Majoron. Mots-clés : Neutrino, décroissance double bêta, bruits de fond, radioactivité.

L'expérience NEMO3, en phase de prise de données depuis 2003, a pour objectif la recherche du signal de décroissance double bêta sans émission de neutrino (2β0ν) avec une sensibilité de 0,1 eV sur la masse effective du neutrino. La mise en évidence du processus 2β0ν, interdit par le Modèle Standard, impliquerait la non conservation du nombre leptonique et l'existence de neutrinos massifs de Majorana. La technique expérimentale utilisée associe un détecteur de traces à un calorimètre permettant ainsi l'identification des deux électrons et la mesure de leur énergie. Avec une sensibilité sur la période de 1023 années, quelques événements sont attendus par an. La réduction et la parfaite connaissance des bruits de fond sont donc fondamentales. Un contrôle précis des gains de l'ensemble des photomultiplicateurs du calorimètre est également nécessaire. La première partie de ce travail a consisté à l'exploitation des informations obtenues par les étalonnages relatifs en énergie réalisés quotidiennement avec une lumière laser. Cette étude a abouti à une méthode d'application des résultats des étalonnages relatifs pour l'analyse des données de NEMO3. La deuxième partie de ce travail a porté sur l'étude des différents bruits de fond des décroissances 2β2ν et 2β0ν. L'analyse des données enregistrées avec une source de neutrons dans différentes configurations de blindages du détecteur NEMO3 a validé un programme de génération des photons produits par interaction des neutrons rapides. Enfin, ce travail a permis de déterminer la période de décroissance 2β2ν du 100Mo et de donner une limite sur le processus 2β0ν du 100Mo.

Les collisions d'ions lourds aux énergies de Fermi conduisent à la formation de noyaux chauds. <br />Selon l'énergie d'excitation mise en jeu, plusieurs modes de décroissance sont observés, en particulier une émission de fragments complexes (Z>2), dont l'origine est encore mal comprise. <br />Le GANIL permet d'explorer sur une large gamme en énergie, entre 32 et 95 MeV/u, la fonction d'excitation du système Ar+Ni depuis l'« évaporation » jusqu'à la «vaporisation » complète des noyaux chauds en particules légères (neutrons, isotopes de H, He). <br />L'analyse des mécanismes de réaction a montré, pour des petits paramètres d'impact, la domination des collisions binaires très inélastiques. <br />Ces dernières ont motivé une analyse en deux sources, des événements bien mesurés par le détecteur INDRA, à l'aide d'une méthode de reconstruction fondée sur l'«arbre minimum». <br />Des énergies d'excitation voisines de 20 MeV/A sont atteintes, à 95 MeV/u, dans les collisions centrales. <br />Pour les collisions violentes, le partage de l'énergie n'est plus équilibrée entre les deux partenaires, le quasiprojectile ayant une énergie d'excitation par nucléon plus élevée que la quasi-cible. <br />Entre 2 et 8 MeV/A d'énergie d'excitation totale du système, correspond une phase de production importante de fragments de masses intermédiaires qui sature autour de 10 MeV/A. <br />Le déclin du régime de «multifragmentation», au-delà de 15 MeV/A, coïncide avec la probabilité croissante d'observer la «vaporisation» des deux noyaux chauds, dont le seuil se situe aux environs de 8 MeV/A. <br />Par ailleurs, l'augmentation régulière de la température extraite des rapports isotopiques He-Li en fonction de l'énergie d'excitation du quasi-projectile suggère une évolution progressive des modes de décroissance des noyaux chauds, en accord avec les prédictions de modèles statistiques. <br />Aucun signe d'une transition de phase du premier ordre de type liquide-gaz n'est observé pour ces noyaux légers.

Dans la neige, l'existence de gradients thermiques est à l'origine de flux de vapeur d'eau à travers toute l'épaisseur du manteau neigeux. Il en résulte des transformations physiques des cristaux de neige ainsi que l'entraînement d'espèces chimiques et leur libération dans l'atmosphère. Ces phénomènes sont englobés sous le terme de métamorphisme de la neige et sont susceptibles d'affecter les propriétés physiques du manteau neigeux et la composition chimique de l'atmosphère.<br />Pour mieux comprendre l'influence de l'intensité du métamorphisme sur les échanges air/neige, nous avons étudié le métamorphisme en chambre froide, successivement en conditions isothermes et de gradient thermique, ainsi que sur le terrain, au cours d'un hiver complet en Alaska. Nous nous sommes attachés à la mesure de certains paramètres physiques, dont la surface spécifique, variable centrale dans l'étude du manteau neigeux.<br />Nous avons mis en évidence que la cinétique de décroissance de la surface spécifique de la neige, en conditions isothermes et de gradient, suivait une loi logarithmique simple. Nous avons également démontré qu'en conditions isothermes, cette relation découlait de la loi générale du mûrissement d'Ostwald. En conditions non-isothermes, la physique du phénomène étant plus complexe, nous nous sommes résolus à une description empirique de l'évolution de la surface spécifique afin qu'elle puisse être prise en compte dans les modèles d'évolution du manteau neigeux. Cette étude nous a finalement permis d'identifier des interactions complexes entre la neige et le climat.

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Les observations expérimentales récentes concernant les noyaux aux limites de la stabilité et en particulier les systèmes émetteurs de deux protons nécessitent le développement de nouvelles méthodologies pour comprendre les propriétés de ces noyaux exotiques. Dans ce travail nous avons étendu le formalisme du modèle en couches avec couplages aux états du continuum (SMEC) de façon à pouvoir considérer le couplage avec deux particules dans le continuum. Nous avons ainsi obtenu une description microscopique de l'émission deux-protons qui prend en compte l'antisymétrisation de la fonction d'onde totale du système, le mélange de configuration et l'asymptotique à trois corps. Nous avons étudié la décroissance de l'état $1^(-)_(2)$ du du $^(18)$Ne dans les cas limites (i) d'une émission séquentielle de deux protons via le continuum corrélé du $^(17)$F et (ii) d'une émission d'un cluster d'$^(2)$He qui se désintègre ensuite par l'interaction dans l'état final (diproton). Indépendamment du choix de l'interaction effective, nous avons constaté que l'émission de deux protons depuis l'état $1^(-)_(2)$ du $^(18)$Ne se fait majoritairement par le processus séquentiel; le rapport entre les largeurs associées à l'émission d'un diproton et à l'émission séquentielle étant inférieur à 8% dans tous les cas.

Le principal axe de recherche depuis ma thèse a été l'étude des formes extrêmes du noyau avec un accent particulier sur la désexcitation des noyaux superdéformés. Depuis 2002, je me suis orientée vers l'investigation des propriétés des noyaux très lourds avec l'étude des premiers états excités et états isomériques des noyaux au delà du Fm. Dans les 2 cas, l'outil privilégié est la spectroscopie γ . C'est donc logiquement que je me suis investie dans la recherche et le développement associés à la nouvelle génération de multidétecteurs 4πγ : AGATA.

Aujourd'hui, l'énergie nucléaire représente une partie non-négligeable du marché énergétique mondial, très probablement vouée à croître dans les prochaines décennies. Les réacteurs du futur devront notamment répondre à des critères supplémentaires économiques mais surtout de sûreté, de non-prolifération, de gestion optimisée du combustible et d'une gestion responsable des déchets nucléaires. Dans le cadre de cette thèse, des études concernant la non-prolifération des armes nucléaires sont abordées, dans le cadre de la recherche et développement d'un nouvel outil potentiel de surveillance des réacteurs nucléaires ; la détection des antineutrinos des réacteurs. En effet, les propriétés de ces particules pourraient intéresser l'Agence Internationale de l'Energie Atomique (AIEA) en charge de l'application du Traité de non-prolifération des armes nucléaires. L'AIEA encourage ainsi ses états membres à mener une étude de faisabilité. Une première étude de non-prolifération est réalisée avec la simulation d'un scénario proliférant utilisant un réacteur de type CANDU et de l'émission en antineutrinos associée. Nous en déduisons une prédiction de la sensibilité d'un détecteur d'antineutrinos de taille modeste à la diversion d'une quantité significative de plutonium. Une seconde étude est réalisée dans le cadre du projet Nucifer, détecteur d'antineutrinos placé auprès du réacteur de recherche OSIRIS. Nucifer est un détecteur d'antineutrinos dédié à la non-prolifération à l'efficacité optimisée conçu pour être un démonstrateur pour l'AIEA. La simulation du réacteur OSIRIS est développée ici pour le calcul de l'émission d'antineutrinos qui sera comparée aux données mesurées par le détecteur ainsi que pour caractériser le bruit de fond important émis par le réacteur détecté dans Nucifer. De façon générale, les antineutrinos des réacteurs sont émis lors des décroissances radioactives des produits de fission. Ces décroissances radioactives sont également à l'origine de la puissance résiduelle émise après l'arrêt d'un réacteur nucléaire, dont l'estimation est un enjeu de sûreté. Nous présenterons dans cette thèse un travail expérimental dont le but est de mesurer les propriétés de décroissance bêta de produits de fission importants pour la non-prolifération et la puissance résiduelle des réacteurs. Des premières mesures utilisant la technique de Spectroscopie par Absorption Totale (TAGS) ont été réalisées auprès du dispositif de l'Université de Jyväskylä. Nous présenterons la technique employée, le dispositif expérimental ainsi qu'une partie de l'analyse de cette expérience.

Les forces nucléaires jouent un rôle très important dans l'évolution de la structure nucléaire ainsi que pour fixer les limites de liaison nucléaire. L'étude des noyaux riches en neutrons est primordiale pour déterminer ces limites et pour expliquer la disparition et la création de nouvelles fermetures de couches loin de la stabilité. Nous avons étudié le noyau peu lié et riche en neutrons de 26F afin de sonder l'interaction πd5/2×υd3/2. En effet, ce noyau peut être modélisé comme un cœur fermé de 24O auquel s'ajoutent un proton fortement lié en πd5/2 interagissant avec un neutron non lié en νd3/2. Les états ainsi formés sont les états J = 1, 2, 3, 4 de parité positive. Leur détermination permettrait de quantifier l'intensité de l'interaction πd5/2×υd3/2. Parmi ces états, celui de spin J = 1 (état fondamental) et J = 2 (premier état excité) étaient déjà connus. La recherche de l'état J = 4 a fait l'objet de recherches au sein de notre groupe à GANIL au travers une expérience de décroissance β. Le noyau de 26F a été produit par fragmentation d'un faisceau radioactif de 36S et sélectionné à l'aide du spectromètre LISE. Ces noyaux ont ensuite été implantés dans un détecteur de Silicium à deux faces, chacune composée de seize bandes verticales ou horizontales. Ce détecteur a permis de réaliser une corrélation spatiale et temporelle entre les ions implantés et leurs produits de décroissance (rayonnements β et γ). Nous avons alors pu observer la transition γ M3 retardée de l'état isomérique J = 4 vers l'état fondamental J = 1, obtenant ainsi l'énergie d'excitation de cet état isomérique à 643.4 keV. Nous avons également déterminé plusieurs nouveaux états dans les noyaux de 25-26Ne peuplés par la décroissance β de l'état fondamental et isomérique du 26F. Nous avons extrait un taux isomérique d'environ 40% et ainsi ajusté la masse précédemment déterminée du 26F en fonction de ce taux, donnant ΔM = 270 (50) keV. L'état J = 3 a été peuplé et étudié à GSI lors d'une expérience de retrait d'un proton à partir d'un faisceau radioactif de 27Ne, produisant ainsi le 26F dans ses différents états parmi lesquels l'état non lié J = 3 décroissant selon la voie 25F + n. Les ions ont été identifiés et suivis à l'aide de détecteurs à fibres tandis que les neutrons ont été détectés dans LAND. Nous avons pu extraire l'énergie d'excitation de l'état J = 3, complétant ainsi le quadruplet d'états J = 1 - 4. Nous avons ensuite comparé les énergies de liaison expérimentales de ces états J = 1 - 4 aux résultats de calculs issus du modèle en couche et de la théorie Coupled Clusters afin de tester le pouvoir de prédiction de ces modèles loin de la stabilité où une forte asymétrie entre l'énergie de liaison des protons et des neutrons existe. Le modèle en couche prédit des états globalement plus liés que ceux trouvés expérimentalement, tandis que les calculs issus de la théorie Coupled Clusters incluant les forces à trois corps et le couplage au continuum sont en très bon accord avec les énergies de liaison expérimentales. Le noyau de 28Ne faisait partie du cocktail de noyaux radioactifs produits lors de l'expérience de décroissance β menée au GANIL. Même si sa décroissance β était déjà en partie connue, son étude nous a apporté de nouvelles informations. Combinée à une expérience de décroissance γ en vol réalisée récemment à NSCL, nous avons pu déterminer deux nouveaux états J = 3 et J = 4, provenant du même couplage πd5/2×υd3/2 que dans le noyau de 26F. Nous avons alors cherché à déterminer s'il existait une dépendance systématique des prédictions du modèle en couche avec l'asymétrie entre l'énergie de liaison des protons et des neutrons. Pour cela nous avons comparé les énergies de liaison expérimentales des états J = 1 - 4 du 28Na et ceux déjà connus du 30Al avec les calculs issus des modèles USDA et USDB. Nous avons trouvé un écart systématique entre les énergies de liaison expérimentales et celles calculées par le modèle en couche pour les isotones N=17 : les états sont prédits trop liés pour le 26F qui se trouve à la limite de liaison nucléaire, tandis qu'ils ne sont pas prédits suffisamment liés pour le 30Al qui se situe proche de la stabilité. Cela suggère que l'interaction proton-neutron effective utilisée dans le modèle en couche ne prend pas correctement en compte l'influence de l'asymétrie entre l'énergie de liaison des protons et des neutrons, ce qui est essentiel pour modéliser les noyaux de la vallée de stabilité jusqu'à la limite de liaison nucléaire.

Le détecteur NEMO3 a été mis en place au Laboratoire Souterrain de Modane, en 2003, afin de rechercher la décroissance double bêta sans émission de neutrinos (ββ0v). La particularité de cette expérience est d’avoir pu étudier plusieurs isotopes dont le 100Mo, le 82Se, le 96Zr ou le 150Nd. En plus d’avoir placé les meilleures limites sur la demi-vie du processus ββ0v pour ces isotopes, ce détecteur a permis des mesures compétitives de leurs désintégrations ββ2v. Le premier objectif de ce travail a été de mesurer les temps de demi-vie des décroissances ββ2v et ββ0v du 82Se vers l’état excité 0+2 du 82Kr grâce aux données de NEMO3. Ces processus n’ayant pas été observés, seules des limites ont été calculées. Les résultats obtenus pour les deux décroissances sont donc T2 1=2(82Se; 0+1 → 0+2) > 1,29 x 1021 ans et T01=2(82Se; 0+1→ 0+2) > 2,31 x 1022 ans, ce dernier étant la première limite sur cette décroissance. SuperNEMO, successeur de NEMO3, cherchera à atteindre une sensibilité de 1026 ans sur la demivie de la décroissance ββ0v du 82Se. Le Radon étant une source de bruit de fond pour la recherche de cette décroissance, sa concentration dans le détecteur doit être inférieure à 0,15 mBq.m-3. Pour parvenir à un tel niveau, l’émanation de Radon des composants de SuperNEMO doit être contrôlée.Le second objectif de cette thèse a donc été de développer deux dispositifs de mesure d’émanation de Radon. Ces deux systèmes, consistants chacun en une chambre d’émanation associée à un détecteur électrostatique, ont par la suite été étalonnés puis leurs bruits de fond ont été caractérisés. Grâce à leurs sensibilités de quelques mBq.m-3, ces dispositifs ont permis de mesurer les taux d’émanation de Radon de plusieurs matériaux destinés à la construction du détecteur SuperNEMO. / The NEMO3 detector was installed in the Laboratoire Souterrain de Modane, in 2003, in orderto search for neutrinoless double beta decay (ββ0v). The specificity of this experiment was the possibility to study several isotopes simultaneously. Among them were 100Mo, 82Se, 96Zr or 150Nd. In addition to setting the best limits on these isotopes half-lives for theββ 0v process, the detector performed precise measurements of their 2v ββdecays. The first point of this work was to measure the half-lives of 2v ββand 0v ββdecays of 82Se to the 0+2 excited state of 82Kr using NEMO3 data. Since those processes have not been observed, only limits were set. The resulting half-life limits are T2 1=2(82Se; 0+1 → 0+2) > 1:29 x 1021 yr and T01=2(82Se; 0+1 → 0+2) > 2:31 x 1022 yr. The latest is the first limit ever measured for this decay. SuperNEMO is the successor to NEMO3 and will aim to reach an half-life sensitivity of 1026 yr for the 0v ββdecay of 82Se. Radon being a source of background for the search of this decay, its concentration inside the detector must be less than 0:15 mBq.m-3. To reach this objective, Radon emanation from the detector componants has to be checked. The second goal of this thesis was thus to develop two setups able to measure Radon emanation. Those two devices, each consisting of an emanation chamber associated to an electrostatic detector, were calibrated before their backgrounds were characterized. With a sensitivity of a few mBq.m-3, these setups measured the Radon emanation rate of several materials which will be used for the construction of the SuperNEMO detector.