Covariant density functional theory (CDFT) is one of the modern theoretical tools for the description of finite nuclei and neutron stars. Its performance is defined by underlying covariant energy density functionals (CEDFs) which depend on a number of parameters. Several investigations within the CDFT framework using the relativistic Hartree-Bogoliubov (RHB) approach are discussed in this dissertation. Statistical errors in ground state observables and single-particle properties of spherical even-even nuclei and their propagation to the limits of nuclear landscape have been investigated in the covariant energy density functionals with nonlinear density dependency. The parametric correlations are studied in different classes of CEDFs; the elimination of these correlations reduces the number of independent parameters to five or six without affecting the performance of CEDFs on a global scale. Moreover, this study reveals the need to include information on deformed nuclei for the improvement of fitting protocols. A new technique for incorporating deformed nuclei data into the fitting protocol is described. Different CEDFs are optimized using this approach, resulting in a significant improvement in the nuclear mass description. A systematic investigation of the ground state and fission properties of even-even actinides and superheavy nuclei with proton numbers Z = 90 - 120 located between the two-proton and two-neutron drip lines has been performed. These results provide a necessary theoretical input for the modeling of the nuclear astrophysical rapid neutron capture process (r-process) taking place in the mergers of neutron stars. The state-of-the-art CEDFs, namely, DD-PC1, DD-ME2, NL3*, and PC-PK1, are employed in this study. Theoretical systematic uncertainties in the physical observables and their evolution as a function of proton and neutron numbers have been quantified and their major sources have been identified. The extension of the nuclear landscape to hyperheavy nuclei is investigated. The transition from ellipsoidal-like nuclear shapes to toroidal shapes is crucial for the potential expansion of the nuclear landscape to hyperheavy nuclei. The physical reasons for the stability of toroidal nuclei in the Z ~ 134 region are discussed.

Les théories de réaction nucléaire décrivant la synthèse des noyaux superlourds ne sont pas fermement établies. Bien qu'un consensus existe sur les caractéristiques qualitatives de la fusion-évaporation, les prédictions quantitatives des modèles disponibles sont encore insatisfaisantes. La section efficace de production est le produit de la section efficace de capture, de la probabilité de formation et de la probabilité de survie. Des études antérieures ont établi que la partie dominante des divergences restantes provenait de notre incapacité à contraindre correctement la probabilité de formation. L'objectif principal de cette thèse est de contraindre théoriquement cette quantité. Celui-ci a été atteint en examinant les incertitudes associées à la section efficace de capture ainsi qu'à la probabilité de survie par le biais de l'analyse de régression. La barrière de fission étant le facteur le plus influent dans les calculs de probabilité de survie, on supposera qu'elle est la seule source de ses incertitudes. Et puisque la différence entre les masses du fondamental et du point-selle définit la barrière de fission, nous avons commencé par étudier les incertitudes d'un modèle de type goutte liquide afin d'obtenir les incertitudes sur les masses. Sur la base de cette analyse, nous avons affiné une méthode permettant de contraindre les énergies de correction de couches. Afin de déterminer les incertitudes sur les barrières de fission, un modèle microscopique-macroscopique simplifié a été utilisé. Les incertitudes sur la phase de capture ont été obtenues à l'aide d'un modèle basé sur une paramétrisation de la distribution de barrières. Les contraintes portant sur la probabilité de formation ont été ensuite déduites à partir de la propagation des incertitudes sur la section efficace de capture et sur la barrière de fission. Par ailleurs, les effets de l'inertie sur la probabilité de formation ont été étudiés en utilisant la théorie des perturbations et un nouveau mécanisme réduisant l'entrave à la fusion a été décrit comme un décalage de la condition initiale dans l'approximation de Smoluchowski. Enfin, sur la base de cette approche, une explication de la dépendance en énergie du point d'injection phénoménologique a été obtenue. / The nuclear reaction theories describing the synthesis of superheavy nuclei are not firmly established. Although, the basic qualitative features of fusion-evaporation have reached a consensus, the quantitative predictions of the available models are still unsatisfactory. The production cross-section is the product of the capture cross-section, the formation probability and survival probability. Previous studies have shown that the dominating part of the remaining discrepancies came from our inability to properly constrain the formation probability. The main goal of this thesis is to theoretically constrain this quantity. This is achieved by examining the uncertainties in the capture cross-section and the survival probability using regression analysis. The fission barrier being the most influential factor in survival probability calculations, it is assumed to be the only source of uncertainties. Since the fission barrier is the difference between the ground-state and saddle-point masses, we started investigating the uncertainties in the liquid drop model. Based on this analysis we have refined a method to constrain the shell correction energies. To determine the uncertainties in the fission barriers, a simplified phenomenological macroscopic-microscopic model was used. The uncertainties in the capture step were determined using a model based on a parametrization of the barrier distribution. From the propagation of the uncertainties in the capture cross-section and fission barrier, the constraints on the formation probability were determined. Separately, the effects of inertia on the formation probability were investigated using perturbation theory and a new mechanism reducing fusion hindrance was described as a shift in the initial condition within the Smoluchowski approximation. Additionally, based on this approach, an explanation for the phenomenological energy dependent parametrization of the injection point was found.

Le tableau périodique est connu jusqu'à l'élément Z=118, situé dans une région difficile d'accès. Un ultime Îlot de stabilité y est prédit par les théories mais n'a pas encore été mis en évidence. Les noyaux de Z=100 à 106 sont produits en nombre suffisant pour en faire la spectroscopie fine. J'ai ainsi étudié le noyau de 256Rf (Z=104). Pour cela, un faisceau isotopique intense d'ions de 50Ti a été conçu et réalisé avec la méthode MIVOC pour la première fois à Jyväskylä (Finlande).Grâce à l'association de JUROGAM II, RITU et GREAT, j'ai étudié le 256Rf en spectroscopies prompte et retardée. J'ai mis en évidence la première bande de rotation dans un noyau superlourd s'étendant jusqu'à un spin de 20+ et confirmé les trois états isomériques connus. Après la présentation des méthodes de sélection, la caractérisation de ces transitions et les moments d'inertie associés sont discutés et comparés avec ceux de la région. Les informations sur la structure quantique sont aussi sont discutées. / The periodic table is known up to the element Z=118, in a region very difficult to access. An ultimate superheavy Island of Stability is predicted by various theories but was never discovered. The nuclei from Z=100 to 106 can be produced in suffisant number to be studied by spectroscopic techniques. Within this framework, I studied in particular the 256Rf (Z=104) nuclei. For this purpose, an isotopic intense 50Ti ion beam was established with the MIVOC method for the first time at Jyväskylä (Finland).Thanks to the JUROGAM II, RITU and GREAT association, I studied the 256Rf with in prompt and delayed spectroscopy. I highlighted the first rotational band in a superheavy nuclei extending up to 20+ and confirmed its three khown isomers. After the presentation of the selections methods, the characterization of these transitions and the associated moments of inertia are discussed and compared to those of the region. The informations on the quantum structure are also discussed.

L'étude de la région des noyaux lourds et superlourds représente un des défis de la physique nucléaire contemporaine, tant au niveau des dispositifs expérimentaux nécessaires que des analyses de données complexes. L'étude des noyaux transfermia (Z = 100 à 106) nous permet, au travers de la spectroscopie de décroissance α et γ/électron, d'apporter de nouvelles informations de structure nucléaire ainsi que sur ses propriétés dans cette région de masse. Dans le cadre de ma thèse, j'ai ainsi pu étudier le noyau 257Db. Cette étude a été menée sur le séparateur SHELS auprès du dispositif GABRIELA au JINR de Dubna (Russie). Elle nous a permis d'apporter de nouvelles informations spectroscopiques sur ce noyau au travers d'une étude de spectroscopie retardée en profitant de la réaction de fusion évaporation 50Ti(209Bi,2n)257Db ainsi que les très bonnes performances du dispositif GABRIELA. Ces études ont notamment permis d'établir un nouveau schéma de niveaux pour le noyau 257Db, mais aussi de confirmer le schéma de décroissance pour les noyaux 257Db et 253Lr. De plus, j'ai aussi pris part au développement et à la caractérisation de détecteurs silicium de dernière génération dans le cadre du projet S3/SIRIUS (SPIRAL2, GANIL). Ces études nous ont non seulement permis de caractériser ces détecteurs, et ainsi vérifier leurs performances vis-à-vis du cahier des charges, mais aussi de mettre en évidence des phénomènes internes à basse énergie dans ces derniers. Les caractérisations ainsi que l'analyse et l'interprétation de ces phénomènes sont présentés et discutés. / The study of the heavy and superheavy nuclei mass region represents one of the biggest challenge for the modern nuclear physic regarding both experimental setups and complex analysis. Moreover, the study around the transfermia nuclei (Z = 100 to 106), through the spectroscopy experiments, allows us to bring new information on the nuclear matter and its properties. Therefore, my thesis experiment was focused on the study of the 257Db nuclei. The experiment was performed on the SHELS separator using the GABRIELA setup at the JINR of Dubna (Russia). This study allows us to highlight new information regarding this nucleus, through the delayed spectroscopy method and by using the 50TI(209Bi,2n)257Db fusion evaporation reaction as well as the very good performances of the GABRIELA setup (α, γ and electron detection). This study allows us also to establish a new level scheme as well as to confirm the decay one for the 257Db and 253Lr nuclei. The second part of my thesis work was centered on the development and the characterization of Silicon detectors for the S3/SIRIUS projet (SPRIAL2, GANIL). The characterization allows us to confirm the good performances of these detectors according to the specifications. Moreover, it also highlights internal phenomena at low energy within the detector. Thus, the characterization as well as the interpretation of these phenomena will be presented.

La théorie covariance de la fonctionnelle de la densité (CDF), basée sur un petit nombre de paramètres ajustables, a été utilisée avec succès pour décrire l’état fondamental et les états excités des noyaux de la carte nucléaire, pour A>12. Cette approche permet de décrire les systèmes nucléaires finis avec un Lagrangien hadronique universel résolu dans le cadre de l'approche Relativiste-Hartree-Fock-Bologuibov (RHFB). Ce modèle est également utilisé pour l'étude des étoiles compactes, car il peut être étendu à des densités élevées où la relativité restreinte ne peut pas être ignoré. Ce modèle peut également être étendu pour inclure la contribution des hypérons et ainsi que d'autres particules exotiques. Dans ce travail, la description et des prédictions basées sur l'approche RHFB pour les noyaux dans des conditions extrêmes de la masse, d'isospin et de température sont présentés.Dans la première partie de cette thèse, nous explorons l'apparition de nouvelles fermetures de couches sphériques pour des noyaux super-lourds, où les fermetures de couches sont caractérisées en termes de gap à deux nucléons. Les résultats dépendent légèrement des Lagrangians effectifs utilisés, mais les nombres magiques au-delà de ^{208} Pb sont prédit pour un nombre de protons Z=120 et 138, et pour un nombre de neutrons N=172, 184, 228, et 258. Les effets de couche sont sensibles à différents termes de champ de moyen, tels que le couplage spin-orbite, la masse scalaire et la masses effective, ainsi que l'interaction de tensorielle de Lorentz. Ces termes ont des poids différents dans les Lagrangians effectifs employées, expliquant les variations, somme toute petites, dans leurs prédictions. Employant le modèle RHFB le plus avancé, nous avons trouvé que le nucléide ^{304} 120 est favorisée comme étant le prochain noyau sphérique doublement magique au-delà de ^{208} Pb.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étudions l'apparition de nouveaux nombres magiques pour les noyaux de masse intermédiaire riches en neutrons, et nous analysons le rôle des interactions pseudo-vecteur et de tensorielle de Lorentz. Basé sur la transformation de Foldy-Wouthuysen, nous discutons en détail le rôle joué par les différents termes des interactions pseudo-vecteur et de tensorielle de Lorentz. Dans l'apparition des nouveaux nombres magiques N=16 , 32 et 34. Les noyaux ^{24} O ^{48} Si et ^{52,54} Ca sont prédits avec un grand gap au niveau de Fermi et un gap d'appariement zéro (^{24} O,^{54}Ca ) ou quasi-nul (^{48} Si,^{54} Ca), les rendant candidats pour de nouveaux nombres magiques des noyaux riches en neutrons. Nous constatons que les interactions de Lorentz pseudo-vecteur et tensorielle induisent des évolutions très spécifiques des énergies à une particule, ce qui pourrait signer la présence et la nécessité d'approches relativistes avec des interactions d'échanges de mésons.Dans la dernière partie de cette thèse, nous étudions les transitions de phase et excitations thermiques des deux noyaux stables et faiblement liés. Les prédictions de divers Lagrangiens relativistes et des différentes interactions d'appariement sont discutées. La température critique de la transition d'appariement dépend linéairement du gap d'appariement à température nulle, et cette dépendance est similaire pour une interaction de portée nulle ou bien finie. Les calculs présentés montrent des caractéristiques intéressantes des corrélations d'appariement à température finie, comme la persistance d'appariement et les phénomènes de re-entrance superfluide. En outre, nous analysons la réponse thermique de certains noyaux.En conclusion, le travail présenté dans cette thèse montre des résultats très intéressants et nouveaux pour trois des questions les plus importantes en physique nucléaire: la quête d'un nouvel îlot de stabilité dans la région des super-lourds, l'apparition de nouveaux nombres magiques dans les noyaux exotiques, et la réponse d'un système finis aux excitations thermiques. / The covariant density functional (CDF) theory with a few number of parameters has been successfully employed to describe ground-state and excited-states of nuclei over the entire nuclear landscape for A > 12. It describes finite nuclear systems with a universal hadronic Lagrangian, which is solved considering the relativistic-Hartree-Fock-Bologuibov approach (RHFB). This model is also employed for the study of compact stars, since it can be extended to high densities where special relativity cannot be ignore. This model can also be extended to include the contribution of hyperons and as well as other exotic particles. In this work, the description and some predictions based on RHFB approach for nuclei under extreme conditions of mass, isospin and temperature are presented.In the first part, we explore the occurrence of spherical shell closures for superheavy nuclei, where shell closures are characterized in terms of two-nucleon gaps. The results depend slightly on the effective Lagrangians used, but the magic numbers beyond ^{208}Pb are generally predicted to be Z = 120 and 138 for protons, and N = 172, 184, 228, and 258 for neutrons. Shell effects are sensitive to various terms of the mean-field, such as the spin-orbit coupling, the scalar and the effective masses, as well as the Lorentz-tensor interaction. These terms have different weights in the effective Lagrangians employed, explaining the (relatively small) variations in the predictions. Employing the most advanced RHFB model, we founded that the nuclide ^{304}120 is favored as being the next spherical doubly-magic nucleus beyond ^{208}Pb.In the second part, we investigate the formation of new shell gaps in intermediate mass neutron-rich nuclei, and analyze the role of the Lorentz pseudo-vector and tensor interactions. Based on the Foldy-Wouthuysen transformation, we discuss in detail the role played by the different terms of the Lorentz pseudo-vector and tensor interactions in the appearance of the N=16, 32 and 34 shell gaps. The nuclei ^{24}O, ^{48}Si and ^{52,54}Ca are predicted with a large shell gap and zero (^{24}O, ^{52}Ca) or almost zero (^{48}Si, ^{54}Ca) pairing gap, making them candidates for new magic numbers in neutron rich nuclei. We find that the Lorentz pseudo-vector and tensor interactions induce very specific evolutions of single-particle energies, which could clearly sign their presence and reveal the need for relativistic approaches with exchange interactions.In the last part, we study the phase transitions and thermal excitations of both stable and weakly-bound nuclei. The predictions of various relativistic Lagrangians and different pairing interactions are discussed. The critical temperature of the pairing transition is found to depend linearly on the zero-temperature pairing gap, and this dependence is similar for a zero-range or a finite-range pairing interaction. The present calculations show interesting features of the pairing correlations at finite temperature, such as the pairing persistence and pairing re-entrance phenomena. Also, we analyze the thermal response of some nuclei.In conclusion, the work presented in this thesis shown interesting and new results for three of the most important questions in nuclear physics: the quest for a new island of stability in the superheavy region, the appearance of new magic numbers in exotic nuclei, and the response of finite-systems to thermal excitations.