Le cadre de ce travail est l'étude de la structure de noyaux légers riches en neutrons par différentes méthodes expérimentales et théoriques.<br /><br />Nous présentons tout d'abord une étude complète des réactions de perte d'un neutron effectuée sur les noyaux de $^{12-15}$B, $^{14-18}$C, $^{17-21}$N, $^{19-23}$O et $^{22-25}$F avec la mesure des distributions en moment parallèle et transverse et des sections efficaces sur cibles de C et de Ta.<br />Un modèle de type Glauber et de dissociation coulombienne, couplé à des calculs de modèle en couches, ainsi q'un nouveau modèle utilisant l'approximation soudaine pour le calcul des distributions transverses, ont été développés.<br />Les résultats de ces calculs sont en très bon accord avec les données, ce qui nous a permis de proposer des spins-parités pour les noyaux de $^{15}$B, $^{17}$C, $^{19-21}$N, $^{21,23}$O et $^{23-25}$F et de conclure quant à l'emploi de telles réactions comme outil spectroscopique.<br /><br />Les distributions en moment des alphas et la section efficace suivant la dissociation de l'$^6$He sur une cible de proton ont été mesurées. Les observations concordent avec des prédictions théoriques montrant la sensibilité de ces distributions à la structure du continuum de l'$^6$He.<br /><br />Enfin, pour le première fois, nous avons réalisé une expérience de capture radiative d'un proton sur l'$^6$He à 40 MeV/nucléon. La capture sur l'$^6$He avec formation du $^7$Li a été observée avec une section efficace de 35 $\pm$ 2 $\mu$b et la distribution angulaire des photons mesurée. Des coïncidences triples ($^6$Li, photons de 30 MeV et de 3.5 MeV) et doubles ($^4$He, photons de 27 MeV) ont aussi été observés. Elles peuvent être interprétées comme des captures du proton sur des sous-systèmes de l'$^6$He ($^5$He et $^4$He), ou comme des captures sur l'$^6$He avec formation de résonances du $^7$Li. De faibles indications expérimentales ainsi que l'observation d'un petit nombre de coïncidences deutons et photons de 22 MeV vont dans le sens de la première hypothèse.

ALTO (Accélérateur Linéaire et Tandem d’Orsay) est une installation équipée de deux accélérateurs pour la recherche et les applications industrielles (un tandem de 15 MV et une accélérateur linéaire). Mon travail de thèse consiste à l’instrumentation pour la recherche fondamentale de la partie accélérateur linéaire d’ALTO qui fournir des faisceaux de noyaux radioactifs. Les faisceaux de noyaux radioactifs riches en neutrons sont produits par la technique de séparation isotopique en ligne (ISOL). Cette méthode de production permet trois types d’expérience : la mesure de masse, l’orientation nucléaire et les expériences de décroissances radioactives. Parmi ces trois types d’expériences, j’ai participé aux développements de deux nouvelles plateformes expérimentales dans le cadre du projet de l’instrumentation de l’installation ISOL d’ALTO. Le premier, BEDO (BEta Decay studies in Orsay) est un ensemble de détecteurs dédié à la spectroscopie β-γ des noyaux décroissants par désintégration β produits par ALTO. Je présente ici, la mise en fonctionnement de cette plateforme expérimentale, ses caractéristiques techniques et les développements d’outils permettant d’aboutir aux premiers résultats. Pour cette expérience un faisceau de la masse 82 a été produit, saisissant cette opportunité, une ré-investigation de la décroissance de ⁸²Ge vers ⁸²As a permis d’établir un nouveau schéma de niveaux pour ⁸²As et de donner les premières indications de la présence d’états issus de configurations intruses dans les isotones impair-impair N=49. Le second projet développé est POLAREX (POLARization of EXotic nuclei), il s’agit d’une plateforme expérimentale dédiée aux expériences d’orientation nucléaire. Mon travail traite ici de l’entière réhabilitation du cryostat à dilution ³He-⁴He (élément principal et le plus complexe de l’installation) et des développements techniques et R&D apportés à l’ensemble de la plateforme. L’ensemble de ces contributions a permis la validation du fonctionnement de l’installation avec les premières mesures physiques sur les noyaux de ⁵⁴Mn, ⁵⁶Co, ⁵⁷Co créés par activation d’une feuille de Fer avec des deutons produits par le Tandem. / ALTO (Accélérateur Linéaire et Tandem d’Orsay) is a facility composed of two accelerators dedicated to research and industrial applications. There is a 15 MV tandem and a linear accelerator. My PhD work was to develop the instrumentation of the linear accelerator part of ALTO which provides radioactive beams for fundamental research. These radioactive beams are produced using the Isotope Separation On-Line method (ISOL). This technique allows three kinds of experiments: mass measurement, nuclear orientation and radioactivity experiments. Among those three types of experiments, I worked on the development of two new experimental platforms for the ALTO instrumentation. The first one, BEDO (BEta Decay studies in Orsay) is an ensemble of detectors dedicated to β-γ spectroscopy of β-decaying nuclei produced by ALTO. I present in this thesis, the commissioning of this new experimental set-up, its technical characteristics and the tools development leading to the first results. For this commissioning experiment a mass 82 radioactive beam was produced, taking this opportunity the ⁸²Ge vers ⁸²As decay was re-investigated allowing to establish a new level scheme for ⁸²As and giving the first evidences for the presence of intruder states in the N=49 odd-odd isotones. The second project, which is developed, is POLAREX (POLARization of EXotic nuclei), a new facility for nuclear orientation experiments. My thesis deals with the entire reconditioning of a ³He-⁴He dilution refrigerator (major and most complex element of the facility) and R&D and technical developments of the platform. These contributions allowed the successful commissioning of the new experimental platform with the first physical measurements on ⁵⁴Mn, ⁵⁶Co, ⁵⁷Co created by activation of an iron foil with deuterons produced by the Tandem.

L’étude de la spectroscopie et de la structure des noyaux exotiques a permis ces dernières années de nombreuses découvertes par rapport à ce qu’on connaissait sur les noyaux stables : les noyaux peuvent être déformés et certains nombres magiques ne sont pas persistants lorsque l’on s’approche des drip line. Autour du 68Ni, qui présente des signes de fermeture de sous couche à N=40 (énergie d’excitation du 2+1 élevée et B(E2 ;2+->0+) faible), les noyaux exotiques tels les isotopes de Cr, Fe, Zn et Ge, présentent des déformations et les expériences récemment menées indiquent un développement rapide de la collectivité. L’expérience menée au LNL (Laboratori Nazionali di Legnaro) sur les isotopes 70,72,74Zn a conclu à la mesure d’une durée de vie étonnamment longue pour l’état 4+ du 74Zn, menant à un rapport entre B(E2; 4+ -> 2 +) et B(E2; 2+ -> 0+) très faible, non expliqué par les calculs au-delà du champ moyen ou de modèle en couche. Cette expérience a été l’une des premières de la campagne du démonstrateur AGATA.Deux types de réactions directes sont utilisées pour extraire les facteurs spectroscopiques, quantités reliées au nombre d’occupation des couches. Les valeurs trouvées expérimentalement ne sont pas consistantes entre elles dans le cas d’arrachage d’un nucléon très lié au noyau. Cette différence entre les deux mesures expérimentales pourrait provenir du fait qu’on ne modélise pas correctement le mécanisme de réaction des réactions d’arrachage d’un nucléon. Des calculs basés sur une approche d’une cascade intra-nucléaire suivie d’une phase d’évaporation tendent à montrer les insuffisances dans la modélisation actuelle des réactions. / The study of exotic nuclei spectroscopy and structure allowed, in the last years, numerous discoveries in respect to what is known from stable nuclei: nuclei can be deformed and the magic numbers are not persistent when moving toward the drip lines. Around 68Ni, which presents signs of shell closures at N=40 (high excitation energy of the 2+1 and low B(E2)), exotic nuclei, like Cr, Fr, Zn and Ge, present deformation and recent experiments point to rapid development of collectivity. The experiment done at LNL (Laboratori Nazionali di Legnaro) on 70,72,74Zn isotopes concluded a surprisingly long life time for the 4+ states of 74Zn, leading to a ratio of B(E2; 4+ -> 2 +) to B(E2; 2+ -> 0+) very low, not explicated by calculations beyond ,mean field or shell models. This experiment was one of the first of the AGATA demonstrator. Two types of direct reactions are used to extract spectroscopic factors, quantity linked to the shell occupation number. The experimental values are not consistent between the cases for the removal of one deeply bound nucleon in the nuclei. This difference between the two experimental measures could come from an incorrect modelization of the reaction mechanism or nucleon removal. Calculations based on intra-nuclear cascade followed by an evaporation phase show shortcomings in the current reaction models.

Une campagne d'expériences a été réalisée à l'automne 2007 au GANIL dans le but d'étudier la structure des noyaux riches en neutrons des chaînes isotopiques de l'oxygène et du néon pour déceler l'évolution des fermetures de couches et des nombres magiques en fonction de l'isospin. La technique de séparation en ligne des isotopes a été employée pour produire par l'ensemble SPIRAL deux faisceaux exotiques d'20O et de 26Ne accélérés à 10 A.MeV. Les spectres des noyaux 21O, 19O, 27Ne et 25Ne produits par les réactions de transfert d'un neutron (d,p) et (d,t) des faisceaux radioactifs sur une cible de CD2 ont été étudiés. Le dispositif expérimental réunissant pour la première fois les détecteurs TIARA, MUST2, VAMOS, EXOGAM et un détecteur de faisceau permettait la détection en coïncidence des noyaux légers de recul, des fragments lourds et des gammas de décroissance. Les spectres en énergie d'excitation ont été reconstruits par la méthode de la masse manquante grâce aux détecteurs TIARA et MUST2. La grande couverture angulaire de ces détecteurs permettait l'étude simultanée des réactions de pickup (d,t) et de stripping (d,p). L'étude de la réaction (d,t) produisant l'19O et le 25Ne a permis de construire les schémas de niveaux de ces noyaux et de préciser les énergies, moments angulaires et facteurs spectroscopiques des états observés. Nous avons ainsi pu établir l'absence de fermeture de couche N=14 dans l'20O. Les résultats obtenus sur l'occupation des couches neutrons du 26Ne tendent à prouver l'existence d'une fermeture de couche N=16 dans ce noyau.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude des noyaux déficients en neutrons situés au delà de la drip-line proton. Afin d'étudier le noyau de 15F, une expérience de diffusion élastique résonante d'un faisceau d'ions radioactifs d'14O sur une cible épaisse composée de protons,c'est à dire la réaction 14O(p,14O)p, a été réalisée au GANIL avec un faisceau post-accéléré SPIRAL. La fonction d'excitation du 15F a été mesurée jusqu'à 5.6MeV d'énergie dans le centre de masse et a révélé la présence de trois résonances, dont l'une correspond à un état étroit de parité négative observé pour la première fois. Cet état a été analysé comme pouvant décroître sur deux voies de décroissance, l'une correspondant à l'émission d'un seul proton et l'autre interprétée comme une émission (pγ) procédant via la queue basse énergie d'un état excité de l'14O. L'interprétation des résultats obtenus en terme de structure du noyau et l'existence d'une décroissance deux proton ou (pγ) est discutée.

L'étude du noyau de l'atome a pour but d'approfondir notre connaissance de l'interaction nucléaire responsable de la cohésion du noyau. Les noyaux stables (Z≈N) furent les premiers étudiés, permettant une modélisation de l'interaction nucléaire. A cette époque, l'un des buts était de reproduire les propriétés singulières des noyaux ”magiques”. Avec le développement des accélérateurs, des noyaux riches ou déficients en neutrons ont été créées en laboratoire, donnant accès à l'évolution de l'interaction nucléaire avec l'isospin. Les études effectuées depuis les années 90 sur les noyaux exotiques ayant un nombre de neutrons N=28 ont montré que le caractère magique ne persistait pas loin de la stabilité. En particulier, le $^{44}*S (Z=16, N=28) est trouvé déformé dans son état fondamental. Du côté théorique, les calculs prédisent une coexistence de formes sphérique-déformé pour le modèle en couches et déformé-déformé pour le champ moyen. La mesure en 2005 d'un deuxième état $0^+$ à faible énergie d'excitation est venue confirmer cette hypothèse sans pouvoir apporter de réponse sur les déformations mises en jeu. L'expérience présentée ici a eu pour but de caractériser cette coexistence de formes à partir des mesures de la probabilité de transition réduite B(E2 ; $0^+_2 $→ $2^+ _1 $) et de la force de transition monopolaire $ρ^2$(E0; $0^+ _2$ → $0^+_1$). De la faible valeur B(E2 ; $0^+_2$ → $2^+_1$) obtenue, une interprétation sur le mélange des états $0^+_1$ et $0^+_2$ a été proposée ainsi qu'une comparaison aux résultats de calculs modèle en couches. La faible valeur $ρ^2*$ mesurée a été comparée aux systématiques puis deux interprétations ont été proposées dans le cadre du modèle en couches et du modèle collectif géométrique.

La détermination de la masse nucléaire permet d'accéder à l'énergie de liaison donc au bilan de toutes les forces agissant dans le noyau. L'exploration de la structure nucléaire requiert la mesure des masses loin de la stabilité. Néanmoins la production des ions radioactifs est peu sélective et l'ion d'intérêt est souvent noyé dans un fond de contaminants isobariques. Ces dernières années, l'utilisation des pièges à ions linéaires et du refroidissement par gaz tampon a été fortement développée permettant la mesure de masse des noyaux exotiques avec une grande précision. Cette thèse porte sur le développement innovant d'un piège de Paul circulaire, "le cirque d'ions". Sa géométrie lui permet de confiner les ions sur un grand nombre de tours. Ainsi, ils peuvent être refroidis avec une pression de gaz tampon de l'ordre de 10-4 mbar. Par ailleurs, il est capable de trier en masse les ions piégés et refroidis avec un pouvoir de résolution suffisant pour séparer des isobares. Nous avons réalisé et testé le premier prototype de ce spectromètre à Orsay. Cette thèse étudie également les prédictions des masses par les différents modèles théoriques, en les comparant avec l'approche microscopique HFB-17. Actuellement, la masse des noyaux très exotiques peut seulement être prédite. L'étude de l'énergie de séparation de deux neutrons avec HFB-17 met en évidence des zones d'instabilité numérique. Afin de l'améliorer, nous avons apporté une correction aux énergies de déformation calculées par ce modèle, en utilisant comme référence les masses des chaînes isotopiques 143-146Xe et 223-229Rn que nous avons mesurées avec le spectromètre ISOLTRAP au CERN.

L'unification entre structure et réaction a toujours été un grand défi de la physique nucléaire. L'extrème complexité rencontrée dans la description des systèmes quantiques finis a en effet mené la théorie nucléaire à dissocier ces deux approches. Une voie possible pour les réconcilier est le modèle en couches avec couplage aux états du continuum. Jusqu'alors, les applications numériques reposant sur ce modèle utilisaient un puit de potentiel local pour générer la base individuelle et une interaction résiduelle schématique de portéenulle pour les couplages au continuum. Nous avons développé le formalisme du modèle en couches avec couplage aux états du continuum avec une interaction nucléon-nucléon de portée finie. Nous avons ensuite généralisé le formalisme de manière à prendre en compte un nombre arbitraire de particules dans un état de diffusion. Le grand avantage de cette approche réside dans le fait que la même interaction est utilisée pour la construction de la base individuelle et pour le couplage aux états du continuum. Nous avons donc posé les bases nécessaires à un calcul ab initio, le but étant de dériver le champ moyen, les mélanges de configurations et le couplage aux états du continuum à partir de la seule interaction nucléon-nucléon dans le vide. Nous avons effectuée une première application réaliste en calculant les spectres de 17F et 17O, et les déphasages de difusion élastique 16O(p, p)16O.

L'observation gamma des explosions novae est l'un des objectifs des télescopes spatiaux comme INTEGRAL. Selon les modèles astrophysiques la raie la plus intense du spectre gamma des novae est celle ayant une énergie de 511 keV. Cette raie provient essentiellement de l'annihilation des ß+ venant de la décroissance du noyau de 18F. L'interprétation astrophysique des observations gamma ne pourra se faire que si la nucléosynthèse du 18F est bien comprise. Actuellement, la mauvaise connaissance du taux de la réaction 18F(p,a)15O, lié à la structure du noyau composé 19Ne, engendre une incertitude d'un facteur 300 sur l'abondance du 18F dans les novae. Dans le but de réduire ces incertitudes, une expérience de diffusion inélastique d'un faisceau de noyaux radioactifs 19Ne sur une cible de proton (19Ne(p,p')19Ne*) a été réalisée au laboratoire de Louvain la Neuve. Elle a permis d'étudier notamment plusieurs états excités du 19Ne au dessus des seuils alpha (3.55 MeV) et proton (6.42 MeV). L'étude des distributions angulaires des particules émises (proton ou alpha) par les états excités du 19Ne a permis d'assigner pour la première fois le spin de nombreux niveaux connus. De plus, un nouvel état ½+ large, pouvant influencer fortement le facteur astrophysique, a été observé pour la première fois.

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