L'étude des noyaux exotiques est un outil important pour sonder la structure nucléaire des noyaux éloignés de la stabilité. Pour des noyaux situés à la drip-line proton, l'émission directe de protons a été prédite depuis le début des années 1960. Ce travail de thèse est focalisé sur l'étude de la radioactivité 2-protons du noyau 45Fe. Un modèle théorique récent, dit modèle à trois corps, prévoit les corrélations énergétiques et angulaires qui doivent exister entre les protons émis. Afin d'étudier le processus d'émission, une Chambre à Projection Temporelle a spécialement été conçue pour reconstruire en trois dimensions la trajectoire des protons. Elle a été utilisée pendant une expérience sur le séparateur LISE3 du GANIL pour l'étude de 45Fe. Pour la première fois, les deux protons émis ont pu être détectés individuellement. Des outils d'analyse spécifiques ont permis de calculer les corrélations énergétiques entre les protons, montrant qu'ils partagent équitablement l'énergie disponible, tel que le prévoient les différents modèles théoriques. Les corrélations angulaires ont été étudiées, mais le manque de statistique ne permet pas de trancher définitivement sur le processus d'émission mis en jeu même si les données sont en accord avec les prévisions du modèle à trois corps. L'expérience a également permis d'étudier l'émission retardée de protons de 43Cr. L'émission beta-2p a été identifiée ; les corrélations énergétiques et angulaires sont en faveur d'une émission séquentielle des deux protons. Enfin, et pour la première fois, l'émission retardée de trois protons a été observée pour ce noyau. / The study of exotic nuclei is a powerful tool to probe the nuclear structure far from stability. For nuclei at the proton drip-line, the direct emission of protons has been predicted since the beginning of 1960s. This PhD thesis is focused on the study of the 2-proton radioactivity of 45Fe. A recent theoretical model, called three-body model, predicts the energetic and angular correlations which have to exist between the two protons emitted. In order to study the emission process, a Time Projection Chamber was especially developped to reconstruct the proton tracks in the three-dimension space. It was used during an experiment performed at the LISE3 separator of GANIL for the study of 45Fe. For the first time the two protons emitted were individually observed. A specific analysis allows us to calculate the energetic correlations between protons, showing they share equally the decay energy, as predicted by the whole theoretical models. The angular correlations were studied, but the lack of statistics does not allow us to determine definitively the emission process which occurs even though the data agree with the three-body model predictions. Moreover, the experiment allowed to study the proton delayed emission of 43Cr. The beta-2p emission was identified; the energetic and angular correlations favour a sequential emission of the two protons. Finally, the delayed emission of three protons was observed for the first time for this nucleus.

Les noyaux super lourds offrent la possibilité d’étudier la structure nucléaire à trois limites simultanément: en charge Z, spin I et énergie d’excitation E∗. Ces noyaux existent seulement grâce à une barrière de fission créée par les effets de couche. Il est donc important de déterminer cette barrière de fission et sa dépendance en spin Bf(I), qui nous renseigne sur l’énergie de couche Eshell(I). Les théories prédisent des valeurs différentes pour la hauteur de la barrière de fission, allant de Bf(I = 0) = 6.8 MeV dans un modèle macro-microscopique à 8.7 MeV pour des calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité utilisant l’interaction Gogny ou Skyrme. Une mesure de Bf fournit donc un test des théories.Pour étudier la barrière de fission, la méthode établie est de mesurer, par réaction de transfert, l’augmentation de la fission avec l’énergie d’excitation, caractérisée par le rapport des largeurs de décroissance Γfission/Γtotal,. Cependant, pour les éléments lourds comme 254No, il n’existe pas de cible appropriée pour une réaction de transfert. Il faut s’en remettre à un rapport de largeur de décroissance complémentaire: Γγ/Γfission et sa dépendance en spin, déduite de la distribution d’entrée (I, E∗).Des mesures de la multiplicité et l’énergie totale des rayons γ de254No ont été faites aux énergies de faisceau 219 et 223 MeV pour la réaction 208Pb(48Ca,2n) à ATLAS (Argonne Tandem Linac Accelerator System). Les rayons γ du 254No ont été détectés par le multi-détecteur Gammasphere utilisé comme calorimètre – et aussi comme détecteur de rayons γ de haute résolution. Les coïncidences avec les résidus d’évaporation au plan focal du Fragment Mass Analyzer ont permis de séparer les rayons γ du 254No de ceux issus de la fission, qui sont > 10^6 fois plus intenses. De ces mesures, la distribution d’entrée – c’est-à-dire la distribution initiale en I et E∗ – est reconstruite. Chaque point (I,E∗) de la distribution d’entrée est un point où la décroissance γ l’a emporté sur la fission, et ainsi, contient une information sur la barrière de fission.La distribution d’entrée mesurée montre une augmentation du spin maximal et de l’énergie d’excitation entre les énergies de faisceau 219 et 223 MeV. La distribution présente une saturation de E∗ à hauts spins. Cette saturation est attribuée au fait que, lorsque E∗ augmente au-dessus de la barrière, Γfission domine rapidement. Il en résulte une troncation de la distribution d’entrée à haute énergie qui permet la détermination de la hauteur de la barrière de fission.La mesure expérimentale de la distribution d’entrée est également comparée avec des distributions d’entrée calculées par des simulations de cascades de décroissance qui prennent en compte le processus de formation du noyau, incluant la capture et la survie, en fonction de E∗ et I. Dans ce travail, nous avons utilisé les codes KEWPIE2 et NRV pour simuler les distributions d’entrée. / Super heavy nuclei provide opportunities to study nuclear structure near three simultaneous limits: in charge Z, spin I and excitation energy E∗. These nuclei exist only because of a fission barrier, created by shell effects. It is therefore important to determine the fission barrier and its spin dependence Bf(I), which gives information on the shell energy Eshell(I). Theoretical calculations predict different fission barrier heights from Bf(I = 0) = 6.8 MeV for a macro-microscopic model to 8.7 MeV for Density Functional Theory calculations using the Gogny or Skyrme interactions. Hence, a measurement of Bf provides a test for theories.To investigate the fission barrier, an established method is to measure the rise of fission with excitation energy, characterized by the ratio of decay widths Γfission/Γtotal, using transfer reactions. However, for heavy elements such as 254No, there is no suitable target for a transfer reaction. We therefore rely on the complementary decay widths ratio Γγ/Γfission and its spin dependence, deduced from the entry distribution (I, E∗).Measurements of the gamma-ray multiplicity and total energy for 254No have been performed with beam energies of 219 and 223 MeV in the reaction 208Pb(48Ca,2n) at ATLAS (Argonne Tandem Linac Accelerator System). The 254No gamma rays were detected using the Gammasphere array as a calorimeter – as well as the usual high resolution γ-ray detector. Coincidences with evaporation residues at the Fragment Mass Analyzer focal plane separated 254No gamma rays from those from fission fragments, which are > 10^6 more intense. From this measurement, the entry distribution – i.e. the initial distribution of I and E∗ – is constructed. Each point (I,E∗) of the entry distribution is a point where gamma decay wins over fission and, therefore, gives information on the fission barrier.The measured entry distributions show an increase in the maximum spin and excitation energy from 219 to 223 MeV of beam energy. The distributions show a saturation of E∗ for high spins. The saturation is attributed to the fact that, as E∗ increases above the saddle, Γfission rapidly dominates. The resulting truncation of the entry distribution at high E∗ allows a determination of the fission barrier height.The experimental entry distributions are also compared with entry distributions calculated with decay cascade codes which take into account the full nucleus formation process, including the capture process and the subsequent survival probability as a function of E∗ and I. We used the KEWPIE2 and NRV codes to simulate the entry distribution.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du développement de la méthode de mélange de configurations multiparticules-multitrous visant à décrire les propriétés de structure des noyaux atomiques. Basée sur un double principe variationnel, cette approche permet de déterminer simultanément les coefficients d'expansion de la fonction d'onde et les orbitales individuelles.Dans ce manuscrit, le formalisme complet méthode de mélange de configurations multiparticules-multitrous auto-cohérente est pour la première fois appliqué à la description de quelques noyaux des couches p et sd, avec l'interaction de Gogny D1S.Un première étude du 12C est effectuée afin de tester et comparer le double processus de convergence lorsque différents types de critères sont appliqués pour sélectionner les configurations à N-corps inclues dans la fonction d'onde du noyau. Une analyse détaillée de l'effet induit par l'optimisation des orbitales est conduite. En particulier, son impact sur la densité à un corps et sur la fragmentation de la fonction d'onde de l'état fondamental, est analysé.Une étude systématique de noyaux de la couche sd est ensuite conduite. Une analyse précise du contenu en corrélation de l'état fondamental est effectuée, et quelques quantités observables telles que les énergies de liaison et de séparation, ainsi que les rayons de charge, sont calculées et comparées à l'expérience. Les résultats obtenus sont satisfaisants. La spectroscopie de basse énergie est ensuite étudiée. Les énergies d'excitation théoriques sont en très bon accord avec les données expérimentales, et les caractéristiques dipolaires magnétiques sont également satisfaisantes. Les propriétés quadripolaires électriques, et en particulier les probabilités de transition B(E2), sont par contre largement sous-estimée par rapport aux valeurs expérimentales, et révèle un manque important de collectivité dans la fonction d'onde, dû à l'espace de valence restreint considéré. Si la renormalisation des orbitales induit une importante fragmentation de la fonction d'onde de l'état fondamental, seul un effet très faible est obtenu sur les probabilités de transition B(E2). Une tentative d'explication est donnée.Enfin, les informations de structure fournies par la méthode de mélange de configurations multiparticules-multitrous sont utilisées comme ingrédient de base pour des calculs de réactions telles que la diffusion inélastique de protons et d'électrons sur noyaux de la couche sd. Si les résultats révèlent aussi un manque de collectivité, les tendances expérimentales sont bien reproduites et sont améliorées par l'optimisation des orbitales. / This thesis project takes part in the development of the multiparticle-multihole configuration mixing method aiming to describe the structure of atomic nuclei. Based on a double variational principle, this approach allows to determine the expansion coefficients of the wave function and the single-particle states at the same time. In this work we apply for the first time the fully self-consistent formalism of the mp-mh method to the description of a few p- and sd-shell nuclei, using the D1S Gogny interaction.A first study of the 12C nucleus is performed in order to test the doubly iterative convergence procedure when different types of truncation criteria are applied to select the many-body configurations included in the wave-function. A detailed analysis of the effect caused by the orbital optimization is conducted. In particular, its impact on the one-body density and on the fragmentation of the ground state wave function is analyzed.A systematic study of sd-shell nuclei is then performed. A careful analysis of the correlation content of the ground state is first conducted and observables quantities such as binding and separation energies, as well as charge radii are calculated and compared to experimental data. Satisfactory results are found. Spectroscopic properties are also studied. Excitation energies of low-lying states are found in very good agreement with experiment, and the study of magnetic dipole features are also satisfactory. Calculation of electric quadrupole properties, and in particular transition probabilities B(E2), however reveal a clear lack of collectivity of the wave function, due to the reduced valence space used to select the many-body configurations. Although the renormalization of orbitals leads to an important fragmentation of the ground state wave function, only little effect is observed on B(E2) probabilities. A tentative explanation is given.Finally, the structure description of nuclei provided by the multiparticle-multihole configuration mixing method is utilized to study reaction mechanisms such as electron and proton inelastic scattering on sd-shell nuclei. Although the results also suffer from the lack of collectivity, the experimental trends are well reproduced and improved by the orbital optimization.

La structure nucléaire connaît une véritable renaissance liée au développement des faisceaux d'ions radioactifs (tels les faisceaux SPIRAL 1 et 2 au GANIL). Les méthodes de champ moyen et/ou de fonctionnelle de la densité sont parmi les outils les plus généraux et les mieux adaptés pour étudier les noyaux qui sont produits auprès de tels instruments. Le but du travail présenté est de montrer comment les fonctionnelles existantes peuvent être améliorées afin d'avoir un meilleur pouvoir prédictif dans les régions encore peu explorées de la carte des noyaux. Il est en particulier proposé de mieux modéliser la dépendance en isospin de l'interaction effective, et l'intérêt d'y ajouter un couplage de type tensoriel est étudié. Nous mesurons également l'apport de calculs au-delà de l'approximation du champ moyen lors de la construction de la fonctionnelle. Finalement, nous tentons d'établir le lien avec l'interaction nue entre nucléons pour la description de l'appariement, participant ainsi au développement d'une fonctionnelle non-empirique.

Les cibles actives sont des outils parfaitement adaptés à l'étude des réactions induites par les faisceaux d'ions radioactifs de très basse intensité. Elles permettent en outre d'étudier simultanément les réactions directes et celles qui sont pour lesquelles un noyau composé est formé. La cible active MAYA, développée au GANIL, a été utilisée afin d'étudier les réactions induites par un faisceau de 11Li de 4.3A MeV, auprès de l'accélérateur ISAC2, à TRIUMF (Canada). Les distributions angulaires pour les réactions de diffusion élastique et de transfert d'un et deux neutrons ont ainsi été reconstruites. La distribution angulaire de la réaction de diffusion élastique montre une augmentation de l'absorption du flux par rapport aux noyaux voisins. Une analyse en canaux couplés pour la réaction de transfert de deux neutrons, pour différents modèles à trois corps, a permis d'extraire des informations sur la spectroscopie du halo du noyau borroméen 11Li. En parallèle, nous avons étudié la dépendance en énergie de la réaction de diffusion élastique en utilisant la cible active MAYA comme cible épaisse. Le spectre extrait montre une résonance vers 3 MeV centre de masse. Cette résonance pourrait être un état isobarique analogue du 12Li, observé dans le 12Be. Nous avons procédé à des calculs en matrice R afin d'extraire les paramètres (spin et parité) de cet état.

Aujourd'hui, les progrès expérimentaux en physique nucléaire nécessitent le développement d'accélérateurs susceptibles de produire des faisceaux d'ions radioactif. Dans cette optique, la méthode « Isotopic Separation On-Line » combinée à l'utilisation du mécanisme de fission permet de produire des ions radioactif riches en neutrons. L'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay participe à ce développement avec la construction du projet ALTO (Accélérateur Linéaire et Tandem d'Orsay). Cette installation de type ISOL utilise un faisceau d'électron pour induire la photofission de l'uranium. En juillet 2006, dans le cadre de mesure des taux de production, la viabilité de cette méthode a été démontrée. De plus, les résultats ont mis en évidence un ensemble de modifications capables d'améliorer la méthode de production. <br />L'installation ALTO ne se limite pas à la fabrication de fragments de fission riches en neutrons. Au cours d'un test de radioprotection, un système de détection a été installé pour permettre l'étude de la décroissance radioactive de l'isotope 84Ga. L'analyse des données acquises au cours de cette mesure nous a permis d'apporter des indications sur la structure des noyaux de 84Ga, 84Ge, 84As et 83Ge. Pour 84Ga, nous avons identifié un état isomérique et proposé une configuration pour cet état et l'état fondamental du noyau. Pour 84Ge, nous avons observé les premiers états 2+ et 4+ dont le rapport des énergies nous a permis de conclure sur l'apparition de la collectivité attendue au-delà de N=50. L'étude de cette collectivité semble indiquer un affaiblissement du gap Z=28 à l'approche de 78Ni. Nous avons proposé le premier schéma de niveau de 84As. Nous avons aussi proposé une configuration pour les états observés de ce noyau. Enfin, pour interpréter le schéma de niveau de 83Ge, un modèle permettant de caractériser le couplage en un neutron et un cœur a été employé. Ce dernier a été appliqué à l'ensemble de la chaîne isotonique N=51 pour tester sa validité. Puis, son application au noyau de 83Ge a confirmé l'existence de ce type de structure dans ce noyau. Les résultats obtenus avec ce modèle ont été extrapolés afin de proposer une prédiction du schéma de niveau de 81Zn.

Les résultats expérimentaux récents concernant les noyaux aux limites de la stabilité ont motivé la recherche de nouveaux modèles nucléaires.<br> Pour cela, on a développé le modèle en couches avec couplage au continuum, qui permet de prendre en compte à la fois les corrélations entre nucléons et l'influence du continuum. Ce modèle a été utilisé dans ce travail pour l'étude des spectres des noyaux 17 F et 17 O. Aussi, on peut calculer des sections efficaces de capture radiative et de diffusion élastique, qu'on a appliqué aux réactions 16 O (p,p) 16 O et 16 O (p,gamma) 17 F. Cette dernière réaction a un intérêt astrophysique car elle joue un rôle important dans la formation des éléments légers dans les étoiles. On a de plus calculé les transitions bêta premières interdites des réactions 17 Ne -> 17 F et 17 N -> 17 O. Le formalisme étudié permet en effet de considérer avec le même hamiltonien les différentes observables de structure et de réaction.<br> Aussi, et c'est une première, on a introduit un nouveau modèle susceptible de donner de nouvelles informations sur les noyaux peu liés ou résonnants, le modèle en couches avec états de Gamow. Ce modèle est une généralisation du modèle en couche standard, car sa base est constituée d'états liés, résonnants et de diffusion. De plus, l'émission de plusieurs particules corrélés peut se faire, contrai- rement au modèle en couches avec couplage au continuum. On a étudié avec ce modèle les spectres des noyaux issus des chaînes d'isotopes d'oxygène de 17 O à 22 O et d'hélium de 5 He à 9 He, où le continuum a un rôle respectivement non négligeable et crucial. Aussi, on a considéré les transitions électromagnétiques et les densités de particules de valence de ces isotopes pour ces mêmes chaînes. On a pu montrer que ce modèle est utilisable d'un point de vue pratique, ce qui est intéressant car il possède la généralité du modèle en couches et n'a aucune restriction du nombre de particules dans le continuum.

La résolution du problème à N-corps constitue aussi bien en mécanique classique qu'en mécanique quantique un des grands enjeux de la physique. En physique nucléaire, diverses méthodes ont été développées pour obtenir des solutions approchées permettant de décrire convenablement les propriétés des noyaux (spectres, transitions électromagnétiques...). Dans cette thèse, nous avons tout d'abord rappelé comment les symétries pouvaient être utilisées pour obtenir des solutions exactes. Nous avons notamment insisté sur le rôle occupé par l'algèbre unitaire en mécanique quantique et nous avons développé et implémenté une façon de construire les représentations irréductibles de cette algèbre à partir d'un état dit de poids maximal et dans lesquelles ont été calculés les spectres de systèmes bosoniques et fermioniques aussi bien avec des interactions réalistes qu'avec des interactions aléatoires. L'utilisation d'interactions aléatoires à 1- et 2-corps conservant le moment angulaire a révélé que certaines caractéristiques des spectres (état fondamental de moment angulaire nul, existence de bandes rotationnelles, vibrationnelles...) étaient robustes. Ainsi dans une seconde partie, nous avons montré que le choix de l'espace de valence conditionne fortement les spectres possibles d'un système quantique : en particulier, nous avons élaboré une méthode géométrique qui, dans certains cas, permet de prévoir les propriétés du fondamental. Nous avons également présenté des résultats numériques dans des situations où la méthode géométrique ne s'applique pas. Dans la dernière partie, nous nous sommes intéressés au lien entre le chaos et les spectres des noyaux obtenus avec des interactions réalistes.

Grâce aux progrès de la production de faisceaux radioactifs au cours de deux dernières décennies, nous sommes à présent capables d'étudier les systèmes nucléaires très loin de la vallée de stabilité. La région de 78Ni reste encore inexplorée. Cette région, avec de très riches en neutrons 78Ni, noyau encore inconnu supposé doublement magique, est très intéressante en termes de structure nucléaire. En effet, les informations expérimentales obtenues sur l'espace de valence ouvert au dessus de 78Ni, nous permettront de construire des interactions effectives pour cette région. Nous avons étudié la désintégration de l'isotope 84Ga riche neutrons auprès de l'installation ALTO à l'IPN d'Orsay. Les fragments de fission ont été produites par photo-fission induite par l'interaction d'un faisceau d'électron de 50 MeV avec une cible épaisse de carbure d'uranium. Pour la première fois, ALTO a été utilisé dans ses conditions optimales, tant du point de vue de l'intensité du faisceau primaire (10 µA d'électrons à 50 MeV) que de la méthode d'ionisation. En effet, les atomes de gallium ont été sélectivement ionisés à l'aide d'une source d'ions laser. Grâce à cette nouvelle source l'ionisation du gallium était plus de dix fois supérieure à celui de la source à ionisation de surface utilisée précédemment par notre groupe. Les ions séparés par le séparateur de masse PARRNe ont été implantés sur une bande de mylar mobile, entourée de deux détecteurs germanium placés en géométrie rapprochés d' un détecteur plastique pour le marquage des désintégrations bêta. Je présenterai les résultats de notre expérience obtenus pour les noyaux riches en neutrons 83,84Ge et 84As. Nous discuterons de leur structure et les comparerons aux résultats obtenus avec des calculs " modèle en couches " effectués avec la nouvelle interaction ni78 - jj4b construite dans le cadre de cette thèse.

Dans ce manuscrit de thèse, nous nous intéressons à la description des noyaux atomiques composés d'un nombre impair de nucléons dans la méthode dite de la fonctionnelle énergie de la densité (EDF). Plus précisément, nous présentons et appliquons dans le cas de ces noyaux, des extensions à cette méthode : (i) la projection sur les bons nombres quantiques, (ii) le mélange de configurations à travers la méthode des coordonnées génératrices (GCM), qui permettent de prendre en compte dans nos calculs des corrélations de type " au-delà du champ moyen " entre les nucléons constituant le noyau. De telles extensions n'avaient jusqu'alors été employées, dans leurs versions les plus générales, qu'aux noyaux ayant à la fois un nombre pair de neutrons et de protons, et nous nous proposons donc de démontrer leurs applicabilités également dans le cas des noyaux impairs. Dans la première partie de ce travail, nous présentons le formalisme mathématique de la méthode EDF, en mettant tout particulièrement l'accent sur le traitement des symétries dans cette approche. Dans la seconde partie du manuscrit, nous appliquons notre modèle au cas du noyau de Mg25 et analysons les résultats sous différents angles (ex : précision numérique des résultats, convergence du mélange de configurations, comparaison avec les données expérimentales connues). Les premiers résultats obtenus dans ce travail de thèse sont encourageants et démontrent l'intérêt de notre approche pour les calculs théoriques de structure nucléaire.