Le but principal de ma thèse de doctorat est d’étudier la dissociation de noyaux exotiques. Ces noyaux sont peu liés et présentent une structure en halo dominante. Ceci conduit à des propriétés très particulières, telles que des rayons beaucoup plus grands que ceux des noyaux voisins. Les noyaux 6He et 11Li sont des exemples typiques, et sont décrits par des structures alpha+n+n et 9Li+n+n, respectivement. La principale technique expérimentale pour étudier ces noyaux consiste à développer des faisceaux d’ions radioactifs, et à mesurer la section efficace de dissociation sur des cibles lourdes. Les données expérimentales nécessitent donc le développement de modèles théoriques précis pour leur interprétation.<p><p>Mon travail a consisté en le développement de la méthode eikonale pour décrire les processus de diffusion élastique et de dissociation. Cette méthode nécessite les fonctions d’onde du projectile qui, dans le cas présent, est décrit par une structure à trois corps. Cette situation rend les calculs particulièrement difficiles, en particulier pour la réaction de dissociation où les fonctions d’onde du continu à trois corps sont nécessaires. Les fonctions d’onde à trois corps sont décrites dans le cadre des coordonnées hypersphériques, à la fois pour les états liés et pour les états de diffusion.<p><p>J'ai d'abord calculé les sections efficaces de dissociation de 6He en utilisant des fonctions d'onde & / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce mémoire est une synthèse, sous forme de sélection d'articles, des travaux développés depuis ma soutenance de thèse en 2001. De nombreuses lignes de recherche se sont dégagées dans les années qui ont suivi ma thèse et mes activités scientifiques se sont développées en suivant différentes directions. Le noyau atomique est un système quantique composé par N fermions qui nécessite un traitement théorique basé sur des modèles microscopiques. Les travaux développés et l'expérience acquise dans ce domaine se prêtent donc de manière très naturelle à des extensions interdisciplinaires pour l'étude d'autres systèmes quantiques formés par N fermions comme, par exemple, les agrégats métalliques ou les gaz d'atomes fermioniques piégés. J'ai exploré quelques-uns de ces liens interdisciplinaires et l'ensemble de ces activités a contribué à former ma vision générale du problème à N corps. Cela a par ailleurs enrichi et élargi mes perspectives de recherche en physique nucléaire. La plus longue partie du mémoire est consacrée à la réflexion autour des noyaux exotiques effectuée avec des modèles basés sur le champ moyen pour étudier : l'évolution de la structure loin de la stabilité et certains phénomènes exotiques liés à cette évolution, les corrélations d'appariement, les halos, l'effet sur les propriétés de l'état fondamental du terme tenseur et d'autres termes non standards dans l'interaction de Skyrme. Des applications dans les domaines des réactions et de l'astrophysique nucléaire sont aussi discutées. Quelques extensions de la méthode RPA sont détaillées. Ces travaux visent à une formulation complètement auto-consistante de la méthode pour un meilleur traitement des corrélations dans l'état fondamental des systèmes à N corps. Dans les conclusions et perspectives du mémoire, les limites de validité de l'approximation de champ moyen sont mises en évidence et un certain nombre de possibilités d'amélioration du pouvoir prédictif et de raffinement des modèles sont présentées et discutées.

La region des noyaux riches en protons tels que 22 < Z < 28 et T$_(Z)$ < -3/2 a pu etre etudiee de maniere tres detaillee grace a trois experiences menees au GANIL entre 1999 et 2002 : cette etude porte sur 23 isotopes allant du $^(39)$Ti au $^(53)$Ni. Nous avons mesure pour la premiere fois les durees de vie du $^(43)$V, du $^(51)$Ni et du $^(51)$Co, et considerablement ameliore la precision de celles deja connues. De nouvelles transitions par emission de protons et de rayonnement $\gamma$ ont permis d'identifier, au travers de correlations $\beta-p-\gamma$ ou $\beta-\gamma$, des niveaux excites non encore observes, et de reconstruire partiellement des schemas de decroissance pour differents isotopes de cette region de masse. Enfin, l'ensemble des resultats experimentaux a ete compare a differentes theories concernant les calculs de duree de vie et les taux d'alimentation $\beta$ des etats isobariques analogues, apportant de nombreuses informations sur la structure nucleaire loin de la stabilite.

La mesure des masses des noyaux permet d'obtenir l'énergie de liaison qui reflète toutes les interactions régnant au sein du noyau atomique. Pour les noyaux N=Z, l'énergie de liaison présente une singularité qui peut être reproduite par l'ajout d'un terme de Wigner dans les formules de masses. Cet effet est étudié par l'intermédiaire de l'interaction neutron-proton qui présente un excédent pour les noyaux N=Z qui tend à disparaître pour les noyaux pair-pair lorsque le nombre de masse A augmente. Cependant, pour les noyaux N=Z impair-impair, l'interaction neutron-proton tend à se stabiliser au delà de A=40 avec un excédent d'environ 2 MeV. Une mesure de la masse atomique du noyau N=Z=37 74Rb a été réalisée avec le spectromètre à radiofréquence MISTRAL qui est installé au CERN. La fréquence cyclotron du 74Rb à l'intérieur d'un champ magnétique est mesurée en la synchronisant avec la fréquence d'un champ électrique, qui module l'énergie cinétique des ions. Cette fréquence cyclotron est comparée à celle d'un noyau de référence, de masse bien connue, à l'intérieur du même champ magnétique et le rapport des deux fréquences donne le rapport des deux masses atomiques. Cette mesure dont la précision obtenue est de 116 keV, a confirmé la stabilisation de l'interaction neutron-proton pour les noyaux N=Z impair-impair. Différentes formules de masses ont été étudiées et l'interaction neutronproton a été calculée à partir des masses prédites par ces formules puis comparée aux valeurs expérimentales. En particulier, le modèle IBM-4, basé sur la symétrie SU(4) a été utilisé pour calculer les masses des noyaux N=Z et des noyaux pair-pair et ainsi en déduire l'interaction neutron-proton pour les noyaux N=Z pair-pair. Un autre point intéressant du 74Rb est sa décroissance super-permise vers le 74Kr dont l'énergie et la demi-vie permettent de calculer la constante de couplage vecteur de la théorie électrofaible, qui est supposée indépendante du noyau par l'hypothèse CVC.

L'exploration de la vallée de stabilité dans la direction des isospins est actuellement un enjeu très important en physique nucléaire. Dans ce cadre, les mesures de masses sont de très bonnes indications des changements de structures nucléaires et permettent la contrainte, loin de la stabilité, des modèles existants. Ce travail est consacré à l'étude de la région riche en neutrons autour de ^32_12Mg_20, nucléide radioactif de très courte durée de vie (95 ms). MISTRAL est un spectromètre à radiofréquence et à transmission en ligne installé au CERN à ISOLDE au cours de l'été 1997. La mesure de masse s'effectue par la mesure de la fréquence cyclotron de l'ion tournant dans un champ magnétique homogène comparée à celle d'un ion de référence. Cette méthode permet des mesures de masse très rapides et très précises (quelques 10−7). Des mesures de la masse de 25,26Ne et 32Mg ont été effectuées en 1999. L'analyse a été rendue complexe par la présence de nombreux isobares dans le faisceau radioactif. La masse de 32Mg a été trouvée plus liée de 280 keV par rapport aux tables. Les valeurs de MISTRAL pour les trois nucléides sont plus précises et ont donc le plus grand poids dans la nouvelle évaluation. La zone de déformation de la région étudiée est renforcée. La fermeture de couche à N = 20 semble disparaître pour ces nucléides. Une nouvelle méthode de mesure de masse avec le spectromètre MISTRAL ainsi que des comparaisons à des modèles classiques en physique nucléaire (modèle en couche, modèle de champ moyen, etc.) ont également été étudiées.

L'étude des noyaux à la drip-line proton est un outil récent et puissant pour sonder la structure nucléaire loin de la vallée de stabilité. En particulier, le phénomène de radioactivité deux protons prédit théoriquement en 1960 a été découvert expérimentalement en 2002. Ce travail de thèse concerne une expérience réalisée au GANIL dans le but d'étudier la radioactivité 2p de 54Zn avec une chambre à projection temporelle, développée pour la détection individuelle de chaque proton et la reconstruction de leur trajectoire en trois dimensions. L'analyse des données a permis de déterminer les corrélations en énergie et en angle entre les deux protons. Celles-ci ont été comparées à un modèle théorique qui prend en compte la dynamique de la décroissance, permettant d'obtenir des informations sur la structure de l'émetteur. La statistique obtenue étant très faible, l'interprétation des résultats reste encore limitée mais ces résultats ouvrent de très belles perspectives sur les études futures des noyaux aux limites d'existence.

Les travaux effectués au cours de cette thèse au sein du groupe de structure nucléaire de l'IPN d'Orsay s'articulent autour de la production, en vue d'une étude par spectroscopie gamma, de noyaux exotiques riches en neutron de la couche fp. Dans ce cadre, nous avons mis en place, auprès de l'accélérateur Tandem d'Orsay, un multi-détecteur au germanium baptisé ORGAM, destiné à la spectroscopie gamma à haute résolution. Au cours de l'année 2008-2009, les détecteurs amenés à composer ORGAM ont été testés, ainsi que le dispositif annexe de réjection-Compton, en coopération avec la division instrumentation du laboratoire. Parallèlement, le système d'alimentation automatique en azote liquide, destiné au maintien des détecteurs à basse température, a été amélioré et fiabilisé. L'ensemble du dispositif a été mis en place sur une ligne de faisceau de l'accélérateur tandem avec le concours du personnel technique de l'accélérateur. La première expérience utilisant le dispositif ORGAM a été réalisée en juillet 2009. Cette expérience, dont les données ont été analysées dans le cadre de ce travail, visait à étudier les collisions profondément inélastiques entre un faisceau de 36S accéléré à 154 MeV, et une cible de 70Zn. Un dispositif permettant la détection des particules chargées émises à grand angle a été utilisé afin d'identifier les fragments de ces collisions. Il n'a pas été possible, du fait du fond important induit par la diffusion élastique du faisceau dans la cible, d'identifier directement ces fragments. L'étude des coïncidences gamma-gamma avec le détecteur ORGAM a cependant permis de mettre en évidence un certain nombre de cascades de photons désexcitant des noyaux potentiellement produits par le mécanisme de réaction d'intérêt. Les données recueillies au cours d'une autre expérience, réalisée auprès du tandem d'Orsay en 2005, ont également été analysées dans le cadre de ce travail. Cette expérience, visant à produire par fusion évaporation entre un faisceau de 14C à 25 MeV et une cible de 48Ca, les noyaux de 59Mn et de 57Cr, a permis d'établir une partie du spectre en énergie d'excitation de ces noyaux, jusqu'à une énergie d'excitation supérieure à 3 MeV. Une étude théorique des noyaux de chrome impairs de la couche fp a été tentée à l'aide d'un modèle phénoménologique de couplage intermédiaire. Ce modèle reproduit de manière satisfaisante le spectre en énergie d'excitation du 53Cr, qui possède un cœur semi-magique + 1 neutron. Les prédictions du modèle, qui ne prend pas en compte l'interaction entre nucléons de valence, s'avèrent en revanche moins bonnes dans le cas des noyaux de 55Cr et 57Cr.

Mes recherches au cours des 21 dernières années ont débuté à IFICValencia, puis quelques années au GANIL et de Valencia à nouveau, et enfin au labo depuis 1994. Bien que mon passage à LPC représenté une forte variation thématique, j'ai fait un effort pour trouver un scénario qui suit la plupart des projets que j'ai participé, et ce scénario est la quête pour mesurer les distances nucléaire. Sur cette voie, je vais inclure la couverture des articles que j'ai trouvés significative, leur version complète peut être trouvée à la fin de ce document, dans leur ordre d'apparition.

Une fermeture de sous-couche à N=70 dans le ¹¹⁰Zr a longtemps été considérée comme une explication possible du désaccord entre la théorie et les abondances observées des éléments lourds près de la masse 130 résultant du processus de capture rapide des neutrons (processus r). Le processus r n’est pas bien compris en partie à cause des incertitudes relatives aux mécanismes d'évolution de la structure en couches des noyaux riches en neutrons. La fermeture de sous-couche dans le ¹¹⁰Zr, bien qu’improbable, pourrait résulter d’une symétrie tétraédrique ou sphérique. Ces symétries laissent des indications distinctes sur la structure des niveaux de basse énergie et leur effet peut donc être détecté par une simple mesure de spectroscopie. Le système MINOS a été employé à l'installation de faisceaux d'isotopes radioactifs (RIBF) de RIKEN au Japon pour effectuer la première spectroscopie du ¹¹⁰Zr. MINOS, développé au CEA-IRFU, combine une cible de protons épaisse avec un dispositif de reconstruction de vertex de réaction pour permettre une spectroscopie à haute résolution des noyaux rares. Les états de basse énergie dans le ¹¹⁰Zr ont été peuplés par arrachage des protons de la cible MINOS, et les rayons gamma de désexcitation ont été détectés avec l'ensemble de scintillateurs DALI2. Les résultats sont compatibles avec un noyau bien déformé. Aucune preuve n’est obtenue pour une fermeture de sous-couche à N = 70 ni en faveur de la symétrie tétraédrique. Une étude complémentaire explore les sections efficaces inclusives pour les réactions (p,2p) et (p,pn) avec les noyaux riches en neutrons. Environ 60 sections efficaces inclusives ont été mesuré pour l’arrachage d'un nucléon sur la cible MINOS. La systématique (p,2p) montre une augmentation de la section efficace pour les noyaux fils de Z impair, ce qui révèle l'importance des corrélations d'appariement. Les sections (p,pn) sont plus grandes que les sections efficaces (p,2p), d'environ un facteur 10, distribuées aléatoirement autour de 60 mb. La comparaison avec les modèles semi-classiques suggère que ces deux systématiques peuvent être expliquées par le rôle important des corrélations d'appariement dans les systématiques de réactions directes induites par les noyaux exotiques. Enfin, des simulations électrostatiques ont été menés pour optimiser la cage de champ électrique de la chambre de projection temporelle MINOS, en vue d'une future application pour un nouveau programme de physique au CERN appelé PUMA. / A predicted N=70 subshell closure in ¹¹⁰Zr has long been considered a potential explanation for the disagreement between theory and observed abundances of the heavy elements near mass 130 resulting from the rapid neutron capture process (r-process). The r-process is not well understood, due in part to the uncertainties of the neutron-rich structure evolution mechanisms. A subshell closure in ¹¹⁰Zr, though unlikely, could result from either a tetrahedral or spherical symmetry. Each of these symmetries leaves distinct fingerprints on the low lying level structure, and thus can be discerned with a simple spectroscopy measurement. The MINOS system has been used at the Radioactive Isotope Beam Factory of RIKEN in Japan to perform the first spectroscopy of ¹¹⁰Zr. MINOS, developed at CEA-IRFU, combines a thick proton target with a vertex tracker to allow high resolution spectroscopy of rare nuclei. Low lying states in ¹¹⁰Zr were populated via proton removal on the MI- NOS target, and deexcitation gamma rays detected with the DALI2 scintillator array. Results are consistent with a well deformed nucleus. No evidence is found for a subshell closure at N=70 nor tetrahedral symmetry. A complementary study explores inclusive cross sections for (p,2p) and (p,pn) reactions with neutron rich nuclei. Approximately 60 inclusive cross sections have been measured for single nucleon removal on the MINOS target. The (p,2p) systematics reveal an enhanced cross section to odd-Z daughter nuclei, pointing to the importance of pairing correlations. The (p,pn) cross sections are approximately a factor of 10 larger than the (p,2p) cross sections, randomly distributed around 60 mb. Comparison with semi-classical models suggest that both these systematics can be explained by the important role of pairing correlations in direct reaction systematics for exotic nuclei. Finally, the electric field cage of the MINOS time projection chamber is optimized with electrostatic simulations in view of a future application as a pion tracker for antiproton-nucleus collisions in a new physics program at CERN called PUMA.

Les nombres magiques de nucléons, qui se manifestent par de grandes écarts en énergie dans le modèle en couches sphériques, s'érodent et émergent dans les systèmes nucléaires asymétriques. L'évolution de ce comportement est étudiée dans deux régions sur, et près, des nombres magiques de neutrons N = 20 et N = 28 dans les isotopes de néon et d'aluminium riches en neutrons. La collectivité et la structure des états excités est étudiée par la spectroscopie gamma en-ligne des réactions de knock-out d'un et deux nucléons, et la diffusion inélastique. Les expériences ont eu lieu au RIKEN Nishina Center à Tokyo, Japon. Les rayons gamma prompts ont étés observées dans le détecteur DALI2 et la structure nucléaire des isotopes de néon et d'aluminium riches en neutrons ont étés déduites. Entre outre, les sections-efficaces inclusives et exclusives des états liés induites par le knockout d'un ou deux protons, en combinaison avec les calculs du modèle en couche et la théorie réactionnelle, élargissent les tendances systématiques de la région. Les deux régions riches en neutrons à N = 20 et N = 28 ont été discutés dans les contexte d'un grand îlot de déformation réuni par la chaîne isotopique du magnésium. Ces observations élargissent la cartographie de cette région et contribue à la compréhension des forces motrices derrière sa formation. / Magic numbers of nucleons, which appear as large energy gaps in the spherical nuclear shell model, have been known to erode and emerge in asymmetric nuclear systems. The evolution of this behaviour is studied in two regions at, and near, magic neutron numbers N=20 and N=28 in neutron-rich neon and aluminium nuclei. Collectivity and excited state structure is studied through in-beam gamma-ray spectroscopy of one- and two-nucleon knockout reactions, and inelastic scattering. Experiments were carried out at the RIKEN Nishina Center in Tokyo, Japan. Prompt gamma-rays were observed in the DALI2 detector and the nuclear structure of neutron-rich neon and aluminium isotopes were deduced. In addition, inclusive and exclusive cross sections to bound states from one- and two-proton knockout reactions, in combination with shell model calculations and reaction theory, extends systematic trends in the region. The two neutron-rich territories of N=20 and N=28 have been discussed as an extended island of deformation, joined-up through the magnesium isotopic chain. These observations enhance the mapping of this region and contribute to understanding the driving forces behind its formation.