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Die Untersuchung neutronenreicher Kerne um den doppelt magischen Kern ¹³²Sn bietet eine der besten Möglichkeiten um Zwei-Körper-Matrixelemente aus kernphysikalischen Theorien fernab der Stabilität zu untersuchen. Eine sensitive Größe um Informationen über die Kernwellenfunktionen zu erhalten sind Lebensdauern angeregter Zustände. Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei Experimente ausgewertet. Das erste Experiment ist Lebensdauermessungen gewidmet und wurde an der ALTO Einrichtung in Orsay durchgeführt. Neutronenreiche Kerne wurden in Spaltung von ²³⁸U mittels schneller Neutronen produziert und Gammastrahlen mit einer Kombination aus hochreinen Germanium (HPGe) und Lanthanbromid (LaBr₃) Detektoren detektiert. Neue spektroskopische Informationen und Lebensdauern von angeregten Zuständen in Tellur- und Iodisotopen jenseits von N=82 wurden ermittelt. Lebensdauern von tiefliegenden angeregten Zuständen in ¹³⁴Te, ¹³⁶Te und ¹³⁵I wurden neu gemessen und der 6₁⁺-Zustand in ¹³⁶Te wurde erstmals bestimmt. Erste Ergebnisse von Lebensdauern 2₁⁺-,4₁⁺- und 6₁⁺-Zustände in ¹³⁸Te und (9/2₁⁺)-, (13/2₁⁺)- und (17/2₁⁺)-Zustände in ¹³⁷I and ¹³⁹I wurden erlangt und reduzierte Übergangswahrscheinlichkeiten extrahiert. Die experimentellen Daten wurden mit theoretischen Schalenmodellrechnungen verglichen. Diese Arbeit liefert neue Erken-ntnisse über die Entwicklung der Kollektivität außerhalb des doppelt magischen ¹³²Sn und trägt zum Verständnis der Kernstruktur jenseits von N = 82 bei. Das zweite Experiment ist der Untersuchung isomerer Kernzustände unterhalb von ¹³²Sn gewidmet und wurde an der Einrichtung für radioaktive Isotopenstrahlen des RIKEN Nishina Zentrums in Japan durchgeführt. Exotische Kerne wurden mittels Spaltung von ²³⁸U produziert und der resultierende Cocktailstrahl massensepariert und mittels BigRIPS Fragmentseparator identifiziert. Ionen, die von Interesse sind, wurden in einer Vorrichtung implantiert und Gammastrahlen mit Hilfe von HPGe Detektoren in kompakter Geometrie detektiert. Halbwertszeiten von Isomeren in neutronenreichen Zinn- und Tellurisotopen wurden nachgemessen und die Ergbenisse mit theoretischen Rechnungen verglichen. Durch de Ergebnisse beider Experimente konnte die Relevanz der Protonenan-regungen für die Evolution der Kollektivität in Tellurisotopen bestätigt werden.; The investigation of neutron-rich nuclei around the doubly magic ¹³²Sn provides one of the best opportunities to test two-body matrix elements from nuclear theory far off the valley of stability. A sensitive probes to gain information into the nuclear wave functions are lifetimes of excited states. In the course of this work, data from two experiments were analyzed. The first experiment dedicated to lifetime measurements was performed at the ALTO facility in Orsay. Neutron-rich nuclei were produced in fast neutron-induced fission of ²³⁸U and γ rays detected using a combination of high-purity germanium (HPGe) and lanthanum bromid (LaBr₃) detectors. New spectroscopic information and lifetimes of low-lying excited states in tellurium and iodine isotopes beyond N = 82 were measured. Lifetimes of low-lying excited states in ¹³⁴Te, ¹³⁶Te and ¹³⁵I were remeasured and the 6₁⁺ state in ¹³⁶Te was measured for the first time. First results on lifetimes of the 2₁⁺,4₁⁺ and 6₁⁺ states in ¹³⁸Te and (9/2₁⁺), (13/2₁⁺) and (17/2₁⁺) states in ¹³⁷I and ¹³⁹I are obtained and reduced transition probabilities were extracted. The experimental data were compared to theoretical calculations in the framework of the nuclear shell model. This work provides new insights into the development of collectivity outside the doubly magic ¹³²Sn and contributes to the understanding of the nuclear structure beyond N = 82. The second experiment was dedicated to the investigation of isomers below ¹³²Sn. The experiment was performed at the Radioactive Isotopes Beam Facility of the RIKEN Nishina Center in Japan. Exotic nuclei were produced through in-flight fission of ²³⁸U and the resulting cocktail beam mass separated and identified using the BigRIPS fragment separator. Ions of interest were implanted in a copper catcher and γ rays detected using four HPGe detectors in close geometry. Half-lives of isomers in neutron-rich tin and tellurium isotopes were remeasured and the results compared to theoretical calculations. From both experiments, the importance of the proton excitations for the evolution of collectivity in the tellurium isotopes around N = 82 could be confirmed.; L’étude des noyaux riches en neutrons autour du noyau double-magique ¹³²Sn offre l’une des meilleures possibilités d’étudier les éléments de matrice à deux corps des théories de physique nucléaire loin de la stabilité. Une quantité sensible pour obtenir les informations sur les fonctions d’onde nucléaires sont les durées de vie des états excités. Pendant ce travail, deux expériences ont été analysées. La première expérience est consacrée aux mesures de durée de vie et été réalisée à l’installation ALTO à Orsay. Des noyaux riches en neutrons on été produits lors de la fission de ²³⁸U à l’aide de neutrons rapides et les rayons γ on été détectés avec une combinaison de détecteurs au germanium hautement purifié (HPGe) et au bromure de lanthane (LaBr₃). De nouvelles informations spectroscopiques et les durées de vie des états bas dans les isotopes de tellure et de l’iode au dessus de N = 82 on été mesurées. Les durées de vie des états excités de faible énergie dans les noyaux ¹³⁴Te, ¹³⁶Te et ¹³⁵I on été remesurées et l’état 6₁⁺ dans le ¹³⁶Te a été mesuré pour la première fois. Les premiers résultats des durées de vie des états 2₁⁺,4₁⁺,6₁⁺ dans le ¹³⁸Te et des états (9/2₁⁺), (13/2₁⁺) et (17/2₁⁺) dans les ¹³⁷I et ¹³⁹I on été obtenus et les probabilités de transition réduites on été extraites. Les données expérimentales on été comparées aux calculs théoriques du modèle en couches. Ce travail fournit de nouvelles perspectives sur l’évolution de la collectivité en dehors du double-magique ¹³²Sn et contribue à la compréhension de la structure nucléaire au dessus de N = 82. La deuxième expérience est consacrée à l’étude des états nucléaires isomères en dessous de ¹³²Sn. L’expérience a été conduite à l’installation de faisceaux d’isotope radioactifs du centre RIKEN Nishina au Japon. Des noyaux exotiques ont été produits pars fission de ²³⁸U et le faisceau cocktail résultant a été séparé en masse et identifié par le séparateur de fragments BigRIPS. Les ions d’intérêt ont été implantés dans un capteur et les rayons γ ont été détectés à l’aide de quatre détecteurs HPGe en géométrie serrée. Les durées de vie des isomères des isotope d’étain et de tellure riches en neutrons on été mesurées et les résultats on été comparés aux calculs théoriques. Les deux expériences on permis de confirmer l’importance des excitations de proton pour l’évolution de la collectivité dans les isotopes du tellure autour de N = 82.

Nuclei are self bound systems of interacting nucleons, whose unified description is made intricate by the very diverse phenomenology emerging in nuclear systems. Besides individual excitations responsible for absolute binding energies and separation energies between nuclei, long range correlations with a high degree of collectivity play a major role in macroscopic properties of nuclei and are essential for comparison with experimental measurements. In this thesis, the focus is put on microscopic models where the nucleus is described as a collection of point-like nucleons in strong interactions, falling into the realm of the quantum many-body problem. Two approaches exist to solve this problem, differing by the very nature of the interaction. Energy Density Functional (EDF) uses a phenomenological system-dependent Hamiltonian easily encompassing short-range correlations at the mean-field level, leaving long-range physics to be captured beyond the mean-field via multi-reference methods. On the contrary, ab initio methods start from a realistic interaction rooted (through chiral Effective Field Theory) into the underlying theory of the strong force, i.e. quantum chromo-dynamics, making the solution of the many-body problem much more difficult to compute but providing results that are more reliable and systematically improvable. In the present work, a new multi-reference perturbation theory to solve the many-body problem starting from chiral interactions is formalized in order to include coherently long and short range correlations in both closed- and open-shell nuclei. The first order of this theory, directly adapted from the EDF know-how to the ab initio context, is benchmarked in large scale calculations against other methods, and applied to the Neon chain. The second - newly formalized - order of the theory is implemented in small-scale model spaces to assess the quality of the method and compared with available single-reference perturbative expansions. The novel formalism shows great promises to describe ground and excited states of closed and open-shell nuclei.; Les noyaux atomiques sont des systèmes liés de nucléons en interaction dont la description unifiée pose encore des problèmes théoriques à l'heure actuelle à cause de la grande diversité dans la phénoménologie émergeant dans les systèmes nucléaires. En plus des excitations individuelles responsables des énergies de liaison absolues et des énergies de séparation entre noyaux, des corrélations de longue portée avec un grand degré de collectivité jouent dans rôle majeur dans les propriétés macroscopiques du noyau et sont essentielles pour la comparaison avec l'expérience. Dans cette thèse, on s'intéresse aux modèles microscopiques où le noyau est décrit comme une collection de nucléons ponctuels en interaction forte. On rentre donc dans le domaine du problème à N corps quantique. Deux approches complémentaires existent pour résoudre ce problème, qui diffèrent par la nature de l'interaction. La méthode de la fonctionnelle de la densité de l'énergie (EDF) utilise une interaction phénoménologique dépendant du système qui capture facilement les corrélations de courte portée au niveau du champ moyen. La physique de longue portée doit être capturée au-delà du champ moyen via des méthodes multi référence. A l'inverse les méthodes ab-initio partent d'une interaction réaliste dérivée (via la théorie effective des champs chirale) à partir de la physique sous-jacente, l'interaction forte, c'est-à-dire la chromodynamique quantique. La solution du problème à N corps est donc bien plus difficile obtenir mais les résultats qui ressortent sont plus fiables et systématiquement améliorables. Dans cette thèse une nouvelle théorie de perturbation multi référence est introduite pour résoudre le problème à N corps à partir d'interactions chirales. Ce nouveau formalisme inclue de façon cohérente les corrélations de courte et longue portée. Le premier ordre de la théorie, directement adapté du savoir-faire EDF au contexte ab-initio, est comparé dans des calculs à grande échelle à d'autres méthodes et appliqué à la chaîne de Néons. Le second ordre (nouvellement formulé) est implémenté dans des bases de taille réduite pour s'assurer de la qualité de la méthode et le comparer avec des méthodes de perturbation uni référence déjà existantes. Ce nouveau formalisme et très prometteur pour la description unifiée des états fondamentaux excités des noyaux à couche fermées comme à couches ouvertes.

In the framework of the shell model, the evolution of the single particle states with the N/Z ratio is clearly established phenomenon. Locally, new magic numbers can appear and others disappear. The question of the quenching of shell closures far from stability is of major interest for the understanding of nuclear interaction and the underlying nuclear structure. The work presented in this thesis concerns the evolution of the N=50 shell gap when approaching ⁷⁸Ni. Even if the doubly magic nature of this nucleus has been confirmed in 2019, the evolution of the gap energy, which presents a local minimum for ⁸²Ge, raises many questions. The study of this evolution can be done by looking at the states created by the promotion of a neutron through the gap, from the g9/2 shell to the d5/2 shell. This one particle – one hole configuration creates a multiplet of states with spin-parity ranging from 2⁺ to 7⁺. The systematic tracking of the highest spin states, supposed to be dominated by this configuration, can be directly related to the gap size evolution. From 2017 to 2018, an important experimental campaign has been held at the ALTO facility of Orsay, using the hybrid γ spectrometer ν-Ball. The spectroscopy of fast-neutron induced reactions has been realized thanks to the coupling with the LICORNE neutron source. Five weeks have been dedicated to fission experiments using targets of ²³⁸U and, for the first time, ²³²Th. The fission fragments have been studied using γ spectroscopy by reconstructing double and triple coincidences between the γ rays emitted during the deexcitation of the nuclei. The level schemes of many nuclei have been built, especially in the ⁷⁸Ni region. Thanks to this study, it was possible to place two new energy transitions and one new level in the level scheme of ⁸²Ge. The energy of this new - supposed 7⁺ - state measured at 3947,9 keV is in line with the trend of the N=50 shell gap evolution. Moreover, the spin-parity attribution for the 5⁺ and 6⁺ states is reinforced my the measure of a new transition between these two states, at 294,1 keV. Finally, the use of a relativistic mean field model is proposed to interpret the single particles states evolution deduced from these experimental measurements : the pseudospin symmetry breaking., Dans le cadre du modèle en couche, l’évolution des états de particules individuelles avec le rapport N/Z est un phénomène désormais bien établi. De nouveaux nombres magiques peuvent apparaître et d’autres disparaître localement. La question de la persistance des fermetures de couches loin de la stabilité présente un intérêt majeur pour la compréhension de l’interaction nucléaire et de la structure qui en découle. Le travail présenté dans cette thèse porte sur l’évolution du gap N=50 à l’approche du noyau de ⁷⁸Ni. Bien que des observations expérimentales récentes semblent indiquer le statut doublement magique de ce noyau, l’évolution de la taille du gap N=50, qui semble se stabiliser pour Z < 32, soulève encore des questions. L’étude de cette évolution peut se faire en étudiant les états issus de la promotion d’un neutron entre les états simples particules délimitant le gap, de l’état g9/2 à l’état d5/2. La configuration particule-trou résultante est à l’origine d’un multiplet de 6 états, de 2⁺ à 7⁺. Le suivi systématique des états de plus hauts spins, supposés dominés par cette configuration, peut être relié à l’évolution du gap N=50. De 2017 à 2018 s’est tenue à l’installation ALTO d’Orsay une grande campagne expérimentale utilisant le spectromètre γ hybride ν-Ball. La spectroscopie de réactions induites par neutrons rapides a été réalisée grâce au couplage avec la source de neutrons LICORNE. Cinq semaines ont été consacrées à des expériences de fission sur des cibles de ²³⁸U et, pour la première fois, de ²³²Th. Les fragments de fission produits ont pu être étudiés par spectroscopie γ en reconstruisant les coïncidences doubles ou triples entre les rayonnements émis au cours de leur désexcitation. Les schémas de niveaux de nombreux noyaux produits par ces mécanismes, notamment dans la région du ⁷⁸Ni, ont été reconstruits. Grâce à cette étude, il a été possible de placer deux nouvelles transitions et un nouvel état dans le schéma de niveaux du ⁸²Ge. L’énergie de ce nouvel état, supposé 7⁺, mesuré à 3947,9 keV a permis de confirmer la tendance de l’évolution du gap N=50. De plus l’attribution des spin-parités 5⁺ et 6⁺ pour les deux états à 2933,2 et 3227,6 keV est renforcée par la mesure d’une nouvelle transition reliant ces deux états, à 294,1 keV. Enfin, pour interpréter les évolutions des états de particules individuelles déduites de ces mesures expérimentales, l’utilisation d’un modèle de champ moyen relativiste est proposée : la brisure de la symétrie de pseudo-spin.

This study focuses on the Low Temperature Nuclear Orientation method (LTNO). This method relies on the interactions of nuclear magnetic moments with electromagnetic fields. These interactions may induce a spontaneous orientation of nuclear spins if the temperatures are very low -much lower than 1K- and if the magnetic fields are intense enough -several tens of Tesla. As a result of this orientation, the emission of the nucleus is anisotropic and in general this anisotropy is the observable of LTNO experiments. As one can guess, LTNO physics is a challenging field from the experimental point of view, but that is why it is also so attractive.The goal of this study is to extract from LTNO measurements the mixing ratios of ⁵⁶Fe and ⁵⁷Fe transitions, which are the relative mixing of electromagnetic multipolarities. The study of these mixing ratios is a key to constrain nuclear models. In addition, a study of summing processes in nuclear orientation experiment has been made through simulation.The apparatus used in this work is PolarEx (Polarization of EXotic nuclei) which is an experimental installation for on-line nuclear orientation experiment which is being installed at ALTO. It was tested off-line in 2014, first to test the cryogenic apparatus, and then to make a commissioning experiment. This experiment was performed with a source of ⁵⁶, ⁵⁷,⁵⁸Co and ⁵⁴Mn, and shows good results which confirmed that PolarEx is ready to be installed on-line., Ce travail porte sur la technique d'orientation nucléaire à basses températures (LTNO). Cela repose sur les interactions du moment magnétique nucléaire avec des champs magnétiques. Ces interactions peuvent induire une orientation spontanée des spins nucléaires si les températures sont assez basses, bien plus basses que 1K, et si les champs magnétiques sont assez intenses (quelques dizaines de Tesla). Comme conséquence de cette orientation, l'émission radioactive du noyau est anisotrope et c'est en général la forme de cette anisotropie que l'on observe dans des expériences d'orientation nucléaire. La physique de l'orientation nucléaire à basses températures est un challenge expérimental, ce qui la rend aussi très attractive.Le but de ce travail est d'extraire d'une expérience de LTNO les rapports de mélange des ⁵⁶Fe et ⁵⁷Fe, qui sont les mélanges de multipolarités électromagnétiques. L'étude de ces rapports de mélange est une vrai clef pour contraindre des modèles nucléaires. De plus, une étude des processus de summing dans des expériences d'orientation nucléaire à été réalisée grâce à des simulations.L'installation PolarEx (Polarization of Exotic nuclei) sur laquelle porte ce travail est une installation expérimentale pour l'orientation nucléaire située à ALTO. Elle a été testée hors-ligne en 2014, pour tester le cryostat et aussi pour faire une expérience de mise en marche. Pour cette expérience, une source de ⁵⁶,⁵⁷,⁵⁸Co et ⁵⁴Mn fut utilisée et elle a montré de très bons résultats confirmant que PolarEx est prêt à être installé en ligne.

This study focuses on the Low Temperature Nuclear Orientation method (LTNO). This method relies on the interactions of nuclear magnetic moments with electromagnetic fields. These interactions may induce a spontaneous orientation of nuclear spins if the temperatures are very low -much lower than 1K- and if the magnetic fields are intense enough -several tens of Tesla. As a result of this orientation, the emission of the nucleus is anisotropic and in general this anisotropy is the observable of LTNO experiments. As one can guess, LTNO physics is a challenging field from the experimental point of view, but that is why it is also so attractive.The goal of this study is to extract from LTNO measurements the mixing ratios of ⁵⁶Fe and ⁵⁷Fe transitions, which are the relative mixing of electromagnetic multipolarities. The study of these mixing ratios is a key to constrain nuclear models. In addition, a study of summing processes in nuclear orientation experiment has been made through simulation.The apparatus used in this work is PolarEx (Polarization of EXotic nuclei) which is an experimental installation for on-line nuclear orientation experiment which is being installed at ALTO. It was tested off-line in 2014, first to test the cryogenic apparatus, and then to make a commissioning experiment. This experiment was performed with a source of ⁵⁶, ⁵⁷,⁵⁸Co and ⁵⁴Mn, and shows good results which confirmed that PolarEx is ready to be installed on-line.; Ce travail porte sur la technique d'orientation nucléaire à basses températures (LTNO). Cela repose sur les interactions du moment magnétique nucléaire avec des champs magnétiques. Ces interactions peuvent induire une orientation spontanée des spins nucléaires si les températures sont assez basses, bien plus basses que 1K, et si les champs magnétiques sont assez intenses (quelques dizaines de Tesla). Comme conséquence de cette orientation, l'émission radioactive du noyau est anisotrope et c'est en général la forme de cette anisotropie que l'on observe dans des expériences d'orientation nucléaire. La physique de l'orientation nucléaire à basses températures est un challenge expérimental, ce qui la rend aussi très attractive.Le but de ce travail est d'extraire d'une expérience de LTNO les rapports de mélange des ⁵⁶Fe et ⁵⁷Fe, qui sont les mélanges de multipolarités électromagnétiques. L'étude de ces rapports de mélange est une vrai clef pour contraindre des modèles nucléaires. De plus, une étude des processus de summing dans des expériences d'orientation nucléaire à été réalisée grâce à des simulations.L'installation PolarEx (Polarization of Exotic nuclei) sur laquelle porte ce travail est une installation expérimentale pour l'orientation nucléaire située à ALTO. Elle a été testée hors-ligne en 2014, pour tester le cryostat et aussi pour faire une expérience de mise en marche. Pour cette expérience, une source de ⁵⁶,⁵⁷,⁵⁸Co et ⁵⁴Mn fut utilisée et elle a montré de très bons résultats confirmant que PolarEx est prêt à être installé en ligne.

One unanswered question that lies at the crossroad of physics and chemistry is: what is the limit of the periodic table. Nuclear theories suggest the existence of the so-called "island of stability", inhabited by long-lived superheavy elements. These elements can materialize only because of strong quantum shell stabilizing effects. Thus, superheavy elements form a unique laboratory for studying nuclear structure and dynamics under the influence of very large Coulomb forces between the numerous protons in the nucleus. However, a theoretical challenge lies in the prediction the exact position of this island as different models predict the position of the next shell closures at Z = 114, 120, or 126, and N=172, 184 beyond the closed spherical shells at Z = 82 and N = 126 rather inharmoniously. To better understand the behavior of nuclear matter for extreme values of proton and neutron numbers and constrain nuclear models it is, therefore, necessary to investigate the nature and sequence of states in lighter, more accessible, transactinide nuclei through spectroscopic studies. In this work, states of ²⁵⁵Rf were populated through the fusion-evaporation reaction ⁵⁰Ti(²⁰⁷Pb,2n)²⁵⁵Rf using an intense ⁵⁰Ti beam provided by the U400 cyclotron of FLNR in Dubna. The evaporation residues were separated from the beam and background of other reaction products using the recoil separator SHELS and implanted into the implantation detector of the GABRIELA setup. The GABRIELA multidetector array allows to perform time and position correlations between the implanted nuclei and their subsequent decays and is sensitive to the emission of gamma rays, internal conversion electrons, alpha particles and fission products. To interpret the experimental decay spectra, the GABRIELA multidetector was characterized using GEANT4 simulations, which were validated with calibration data. In particular, the impact of summing on the gamma-ray- and electron-detection efficiencies was investigated and showed that simulations are vital for interpreting experimental results obtained using compact and efficient setups like GABRIELA. A novel method to estimate the implantation depth profile of the evaporation residues was devised, which is essential especially for internal-conversion-electron spectroscopy.To be able to use GEANT4 for elements heavier than Fm (Z=100), the source code was modified and the Fluorescence and the Auger emission data were extrapolated to allow accurate radioactive decay simulations up to the element Rf. Using ²⁵⁷Rf experimental data obtained in Dubna and the known decay scheme of the 21/2+ high-K isomer, the functionality of the modified GEANT4 code was validated. Simulations were then used to study the fine structure alpha decay of ²⁵⁵Rf and derive branching ratios to states in ²⁵¹No. The gamma-decay branching ratios and internal conversion coefficients for transitions in ²⁵¹No were also extracted. In ²⁵⁵Rf, two new high-K isomeric states were identified and the existence of a low-lying spin isomer was confirmed. Quantitative and qualitative comparisons of the experimental spectra to simulations have allowed to establish the likely decay schemes and assign possible quasiparticle configurations for all 3 isomers., Une question sans réponse qui se trouve au carrefour de la physique et de la chimie est : quelle est la limite du tableau périodique. Les théories nucléaires suggèrent l'existence de ce qu'on appelle "l'îlôt de stabilité", habitée par des éléments super-lourds à longue durée de vie. Ces éléments ne doivent leur existence qu’à d’importants effets quantiques. Ainsi, les éléments super-lourds forment un laboratoire unique pour l'étude de la structure et de la dynamique nucléaires sous l'influence d’une très forte répulsion Coulombienne entre les nombreux protons du noyau. Cependant, un défi théorique réside dans la prédiction de la position exacte de cet îlôt, car différents modèles prédisent la position des prochaines fermetures de couches au delà de Z=82 et N=126 à Z = 114, 120 ou 126, et N = 172, 184 de façon plutôt inharmonieuse. Pour mieux comprendre le comportement de la matière nucléaire dans des conditions extrêmes du nombre de protons et de neutrons et contraindre les modèles nucléaires, il est donc nécessaire d'étudier la nature et la séquence d’états dans des noyaux transactinides plus légers et plus accessibles par des études spectroscopiques. Dans ce travail, des états de ²⁵⁵Rf ont été peuplés par la réaction de fusion-évaporation ⁵⁰Ti(²⁰⁷Pb, 2n)²⁵⁵Rf en utilisant un faisceau intense de ⁵⁰Ti fourni par le cyclotron U400 du FLNR à Dubna. Les résidus d'évaporation ont été séparés du faisceau et du fond d'autres produits de réaction à l'aide du séparateur de noyaux de recul SHELS et implantés dans le détecteur d'implantation du dispositif GABRIELA. Le multidétecteur GABRIELA permet d'effectuer des corrélations de temps et en position entre les noyaux implantés et leurs désintégrations ultérieures et est sensible à l'émission de rayonnemments gamma, d'électrons de conversion interne, de particules alpha et de produits de fission. Pour interpréter les spectres de désintégration expérimentaux, le multidétecteur GABRIELA a été caractérisé à l'aide de simulations GEANT4, qui ont été validées avec des données d'étalonnage. En particulier, l'impact des effets de sommation sur l'efficacité de la détection des rayons gamma et des électrons a été étudié et a montré que les simulations sont essentielles pour interpréter des résultats expérimentaux obtenus grâce à des dispositifs compactes et efficaces comme GABRIELA. Une nouvelle méthode pour estimer le profil de profondeur d'implantation des résidus d'évaporation a été mise au point, ce qui est essentiel notamment pour la spectroscopie des électrons de conversion interne.Afin de pouvoir utiliser GEANT4 pour des éléments plus lourds que Fm (Z=100), le code source a été modifié et les données de fluorescence et d’émission Auger ont été extrapolées pour permettre des simulations précises de décroissances radioactives jusqu'à l’élément Rf. En utilisant les données expérimentales obtenues sur le noyau ²⁵⁷Rf étudié à Dubna et le schéma de désintégration connu de l'isomère 21/2+ de haut K, la fonctionnalité du code GEANT4 modifié a été validée. Les simulations ont ensuite été utilisées pour étudier la structure fine de décroissance alpha du ²⁵⁵Rf et dériver les rapports d’embranchements vers les états du ²⁵¹No. Les rapports d’embranchements de décroissance gamma et les coefficients de conversion interne de transitions du ²⁵¹No ont également été extraits. Dans le ²⁵⁵Rf, deux nouveaux états isomériques de haut K ont été identifiés et l'existence à basse énergie d’excitation d'un isomère de spin a été confirmée. Les comparaisons quantitatives et qualitatives des spectres expérimentaux aux simulations ont permis d'établir les schémas de désexcitation les plus probables et d'assigner les configurations quasi-particules possibles pour les 3 isomères.

One unanswered question that lies at the crossroad of physics and chemistry is: what is the limit of the periodic table. Nuclear theories suggest the existence of the so-called "island of stability", inhabited by long-lived superheavy elements. These elements can materialize only because of strong quantum shell stabilizing effects. Thus, superheavy elements form a unique laboratory for studying nuclear structure and dynamics under the influence of very large Coulomb forces between the numerous protons in the nucleus. However, a theoretical challenge lies in the prediction the exact position of this island as different models predict the position of the next shell closures at Z = 114, 120, or 126, and N=172, 184 beyond the closed spherical shells at Z = 82 and N = 126 rather inharmoniously. To better understand the behavior of nuclear matter for extreme values of proton and neutron numbers and constrain nuclear models it is, therefore, necessary to investigate the nature and sequence of states in lighter, more accessible, transactinide nuclei through spectroscopic studies. In this work, states of ²⁵⁵Rf were populated through the fusion-evaporation reaction ⁵⁰Ti(²⁰⁷Pb,2n)²⁵⁵Rf using an intense ⁵⁰Ti beam provided by the U400 cyclotron of FLNR in Dubna. The evaporation residues were separated from the beam and background of other reaction products using the recoil separator SHELS and implanted into the implantation detector of the GABRIELA setup. The GABRIELA multidetector array allows to perform time and position correlations between the implanted nuclei and their subsequent decays and is sensitive to the emission of gamma rays, internal conversion electrons, alpha particles and fission products. To interpret the experimental decay spectra, the GABRIELA multidetector was characterized using GEANT4 simulations, which were validated with calibration data. In particular, the impact of summing on the gamma-ray- and electron-detection efficiencies was investigated and showed that simulations are vital for interpreting experimental results obtained using compact and efficient setups like GABRIELA. A novel method to estimate the implantation depth profile of the evaporation residues was devised, which is essential especially for internal-conversion-electron spectroscopy.To be able to use GEANT4 for elements heavier than Fm (Z=100), the source code was modified and the Fluorescence and the Auger emission data were extrapolated to allow accurate radioactive decay simulations up to the element Rf. Using ²⁵⁷Rf experimental data obtained in Dubna and the known decay scheme of the 21/2+ high-K isomer, the functionality of the modified GEANT4 code was validated. Simulations were then used to study the fine structure alpha decay of ²⁵⁵Rf and derive branching ratios to states in ²⁵¹No. The gamma-decay branching ratios and internal conversion coefficients for transitions in ²⁵¹No were also extracted. In ²⁵⁵Rf, two new high-K isomeric states were identified and the existence of a low-lying spin isomer was confirmed. Quantitative and qualitative comparisons of the experimental spectra to simulations have allowed to establish the likely decay schemes and assign possible quasiparticle configurations for all 3 isomers.; Une question sans réponse qui se trouve au carrefour de la physique et de la chimie est : quelle est la limite du tableau périodique. Les théories nucléaires suggèrent l'existence de ce qu'on appelle "l'îlôt de stabilité", habitée par des éléments super-lourds à longue durée de vie. Ces éléments ne doivent leur existence qu’à d’importants effets quantiques. Ainsi, les éléments super-lourds forment un laboratoire unique pour l'étude de la structure et de la dynamique nucléaires sous l'influence d’une très forte répulsion Coulombienne entre les nombreux protons du noyau. Cependant, un défi théorique réside dans la prédiction de la position exacte de cet îlôt, car différents modèles prédisent la position des prochaines fermetures de couches au delà de Z=82 et N=126 à Z = 114, 120 ou 126, et N = 172, 184 de façon plutôt inharmonieuse. Pour mieux comprendre le comportement de la matière nucléaire dans des conditions extrêmes du nombre de protons et de neutrons et contraindre les modèles nucléaires, il est donc nécessaire d'étudier la nature et la séquence d’états dans des noyaux transactinides plus légers et plus accessibles par des études spectroscopiques. Dans ce travail, des états de ²⁵⁵Rf ont été peuplés par la réaction de fusion-évaporation ⁵⁰Ti(²⁰⁷Pb, 2n)²⁵⁵Rf en utilisant un faisceau intense de ⁵⁰Ti fourni par le cyclotron U400 du FLNR à Dubna. Les résidus d'évaporation ont été séparés du faisceau et du fond d'autres produits de réaction à l'aide du séparateur de noyaux de recul SHELS et implantés dans le détecteur d'implantation du dispositif GABRIELA. Le multidétecteur GABRIELA permet d'effectuer des corrélations de temps et en position entre les noyaux implantés et leurs désintégrations ultérieures et est sensible à l'émission de rayonnemments gamma, d'électrons de conversion interne, de particules alpha et de produits de fission. Pour interpréter les spectres de désintégration expérimentaux, le multidétecteur GABRIELA a été caractérisé à l'aide de simulations GEANT4, qui ont été validées avec des données d'étalonnage. En particulier, l'impact des effets de sommation sur l'efficacité de la détection des rayons gamma et des électrons a été étudié et a montré que les simulations sont essentielles pour interpréter des résultats expérimentaux obtenus grâce à des dispositifs compactes et efficaces comme GABRIELA. Une nouvelle méthode pour estimer le profil de profondeur d'implantation des résidus d'évaporation a été mise au point, ce qui est essentiel notamment pour la spectroscopie des électrons de conversion interne.Afin de pouvoir utiliser GEANT4 pour des éléments plus lourds que Fm (Z=100), le code source a été modifié et les données de fluorescence et d’émission Auger ont été extrapolées pour permettre des simulations précises de décroissances radioactives jusqu'à l’élément Rf. En utilisant les données expérimentales obtenues sur le noyau ²⁵⁷Rf étudié à Dubna et le schéma de désintégration connu de l'isomère 21/2+ de haut K, la fonctionnalité du code GEANT4 modifié a été validée. Les simulations ont ensuite été utilisées pour étudier la structure fine de décroissance alpha du ²⁵⁵Rf et dériver les rapports d’embranchements vers les états du ²⁵¹No. Les rapports d’embranchements de décroissance gamma et les coefficients de conversion interne de transitions du ²⁵¹No ont également été extraits. Dans le ²⁵⁵Rf, deux nouveaux états isomériques de haut K ont été identifiés et l'existence à basse énergie d’excitation d'un isomère de spin a été confirmée. Les comparaisons quantitatives et qualitatives des spectres expérimentaux aux simulations ont permis d'établir les schémas de désexcitation les plus probables et d'assigner les configurations quasi-particules possibles pour les 3 isomères.

In this thesis, we first investigated the effect of Lambda pairing on the ground state properties of hypernuclei within the Hartree-Fock-Bogoliubov formalism. The SLy5 Skyrme functional is used in the NN channel, while for N-Lambda channel we employ three functionals fitted from microscopic Brueckner-Hartree-Fock calculations: DF-NSC89, DF-NSC97a and DF-NSC97f. These functionals reproduce the sequence of single-Lambda experimental binding energies from light to heavy hypernuclei. For the Lambda-Lambda channel, we used the empirical prescription EmpC, calibrated to 1 MeV on the experimental bond energy in 6He_LL. Based on this density-functional approach, several nuclei have been studied with nucleon closed-shells and Lambda open-shells. A Lambda-Lambda pairing interaction is introduced, which magnitude is calibrated to be consistent with the maximum BCS predictions for the Lambda pairing gap in hypernuclear matter. In this way, we provide an upper bound for the prediction of the Lambda pairing gap and its effects in hypernuclei. We have shown that the effects of the Lambda-Lambda pairing depends on hypernuclei. The condensation energy is predicted to be about 3~MeV as a maximum value, yielding small corrections on density distributions and shell structure. Generally, we found that Lambda-Lambda pairing could be active if the energy gap between shells is smaller than 3~MeV. Under this condition, Lambda pairing could impact densities and binding energies. Since only a weak spin-orbit interaction is expected in the Lambda channel, Lambda states are highly degenerated and usually levels are distant by more than 3~MeV in energy. In summary, it is shown that the Lambda-related pairing effect can usually be neglected in most of hypernuclei, except for hypernuclei which have a single particle gap lower than 3~MeV around the Fermi level. In addition, conditions on both Fermi energies and orbital angular momenta are expected to quench the nucleon-Lambda pairing for most of hypernuclei.The second part of the thesis is devoted to equation of states in neutron stars. We confronted the tidal deformability values extracted from the gravitational event GW170817 to nuclear physics constraints within a semi-agnostic approach for the dense matter equation of state. We used Bayesian statistics to combine together low density nuclear physics data, such as the ab-initio predictions based on chiral EFT interactions or the isoscalar giant monopole resonance, and astrophysical constraints from neutron stars, such as the maximum mass of neutron stars or the probability density function of the tidal deformability obtained from the GW170817 event. The posteriors probability distribution functions are marginalized over several nuclear empirical parameters (Lsym, Ksym, Qsat and Qsym), as well as over observational quantities such as the 1.4Msun radius R1.4 and the pressure at twice the saturation density P(2n_sat). The correlations between Lsym and Ksym and between Ksat and Qsat are also further analyzed. It is found that there is a marked tension between the gravitational wave observational data and the nuclear physics inputs for the Lsym and R1.4 marginal probability distributions. This could be a hint for nucleons to more exotic particles phase transition inside of the core of neutron stars. We also conclude that increasing the accuracy on the determination of tidal deformability from the gravitational wave, as well as Mc from the isoscalar giant monopole resonance, will lead to a better determination of Ksat and Qsat., Dans cette thèse nous avons d’abord étudié l’effet du paring Lambda sur les propriétés des hypernoyaux dans le formalisme Hartree-Fock Bogoliubov. La fonctionnelle de Skyrme SLy5 est utilisée dans le canal nucleon-nucleon alors que 3 fonctionelles fittées sur les calculs microscopiques Brueckner Hartree-Fock sont utilisées dans le canal Nλ : DF-NSC89, DF-NSC97a et DF-NSC97f. Ces fonctionnelles décrivent la séquence des énergies de liaison expérimentales à un lambda, des hypernoyaux légers aux hypernoyaux lourds. Dans le cas du canal Lambda-Lambda, nous avons utilisé la prescription empirique EmpC, ajustée à 1 MeV sur l’énergie expérimentale de liaison dans le 6HeLL. A l’aide de cette approche de la fonctionnelle de la densité, plusieurs noyaux ont été étudiés, avec des couches nucléoniques fermées et des couches ouvertes en Lambda. Une interaction d’appariement Lambda-Lambda est introduite, dont la magnitude est ajustée pour être consistante avec la valeur maximale des prédictions BCS pour le gap d’appariement Lambda dans la matière hyperonique. Nous donnons ainsi une valeur maximale pour la prédiction du gap d’appariement Lambda et ses effets dans les hypernoyaux. Nous avons montré que les effets de l’appariement LL dépendent de l’hypernoyau considéré. L’énergie correspondante de condensation est de l’ordre de 3 MeV au maximum, ce qui entraine de faibles corrections sur les distributions de densité et la structure en couches. De manière générale, nous avons trouvé que l’appariement Lambda-Lambda peut être important si l’écart en énergie entre les couches est plus petit que 3 MeV. A cette condition, l’appariement Lambda peut impacter les densité et les énergies de liaison. En résumé, il est montré que l’effet de l’appariement relié aux Lambda peut être en général négligé dans la plupart des hypernoyaux, sauf pour les ceux ayant un écart typique dans le spectre à une particule plus petit que 3 MeV autour du niveau de Fermi. De plus, les conditions sur à la fois les énergies de Fermi et les moments angulaire orbitaux atténuent l’appariement nucleon-Lambda pour la plupart des hypernoyaux.La deuxième partie de la thèse est dévolue aux équations d’état dans les étoiles à neutrons. Nous avons confronté les valeurs des déformabilité de marée extraites de l’évènement d’onde gravitationnelle GW170817, aux contraintes issues de la physique nucléaire à l’aide d’une approche semi-agnostique pour l’équation d’état de la matière dense. Nous avons utilisé les statistiques Bayesienne pour combiner les données de physique nucléaire à basse densité, comme les prédictions ab initio provenant des interactions chirales EFT ou la résonance géante monopolaire isoscalaire, et les contraintes astrophysiques des étoiles à neutrons, comme leur masse maximale, ou la fonction densité de probabilité de la déformabilité de marée obtenue de l’événement GW170817. Les fonctions postérieures de densité de probabilité sont marginalisées sur plusieurs paramètres nucléaires empiriques (Lsym, Ksym, Qsat et Qsym), et aussi sur des grandeurs observationnelles des étoiles à neutrons comme la masse et le rayon à 1.4 masses solaires, ou la pression à deux fois la densité de saturation P(2nsat). Les correlations entre Lsym et Ksym, et entre KSat et Qsat sont aussi analysées. Une tension importante entre les données observationnelles d’ondes gravitationnelles et les inputs de physique nucléaire est trouvée pour les distributions marginales de probabilité de Lsym et R1.4. Ceci pourrait être une indication d’une transition de phase de nucléons vers des particules plus exotiques dans le coeur des étoiles à neutrons. Nous trouvons aussi qu’augmenter la précision sur la détermination de la déformabilité de marée à partir des ondes gravitationnelles, ou sur Mc à partir de la résonance géantes monopolaire, devrait aboutir à une meilleure détermination de Ksat et Qsat.

Several light nuclei, as ¹⁸O, display a ”core+ α” structure. ²¹²Po is the only heavy one where this phenomenon has been highlighted. In this thesis, we combined the measurement of the excitation energy of levels populated via transfer reaction from a ¹² C nucleus on a ²⁰⁸Pb nucleus, and the measurement of the γ decaying of these levels. A first experiment has been performed in inverse kinematic, using the AGATA Germanium array and a thick silicon detector. A second experiment, in direct kinematic has been done at Tokai’s Tandem using a telescope of silicon detectors, 4 HPGe and 4 LaBr₃ crystals. We describe the principle of these detectors, the datareduction up to the kinematical reconstruction, and the simulations used to build the experimental set-up and to validate the data analysis. We have studied 1p, 2p, 2p 1n and α transfer reactions leading to ²⁰⁹Bi, ²¹⁰Po, ²¹¹Po and ²¹²Po at energies around the Coulomb barrier.From the comparison of these reactions channels, we firmly established that the 4 nucleons are transfered simultaneously to produce ²¹²Po. Evolution of the excitation energy with the beam energy has shown that the 212Po states including a strong ”core + α” component lie much preferentially at high excitation energy (E∗ ≥ 3 MeV).Seven new energy levels of ²¹² Po have been discovered, for which spin and parity attributions are proposed. We also measured the partial cross-sections to several levels to characterize their cluster components. We confirmed the large ”core + α” components of the 4⁻₃ and 7⁺₂ and 7+2 states, and the weak ”core + α” components of the 2⁺₁ and 2⁺₂ states.Five new levels of ²¹⁰Po have been discovered. Shell model calculations allowed us to frimly assign spins and parities.; Plusieurs noyaux légers, tels que le ¹⁸O, possèdent une structure « cœur + α » . À ce jour, le ²¹²Po est le seul noyau lourd où ce phénomène a été mis en évidence. Dans cette thèse, nous avons combiné la mesure de l’énergie d’excitation des niveaux peuplés par réaction de transfert depuis un noyau de ¹²C vers un noyau de ²⁰⁸Pb, et la mesure des désexcitations γ de ces niveaux.Une première expérience a été menée en cinématique inverse à l’aide du multi-détecteur germanium AGATA et d’un silicium épais. Une seconde expérience, en cinématique directe, a eu lieu auprès du tandem de Tokai avec un télescope de détecteurs silicium, et des cristaux HPGe et LaBr₃. Nous décrivons le fonctionnement des détecteurs, le traitement des données jusqu’à la reconstruction cinématique des événements, et les simulations ayant permis de bâtir le dispositif expérimental et de valider le traitement des données.Nous avons étudié les réactions de transferts 1p, 2p, 2p 1n et α, produisant les noyaux ²⁰⁹Bi, ²¹⁰Po, ²¹¹Po et²¹²Po à des énergies autour de la barrière Coulombienne. La comparaison des différentes voies de transfert nous a permis de démontrer clairement que les quatre nucléons conduisant au ²¹²Po étaient transférés simultanément. En comparant les énergies d’excitations calculées par un modèle semi-classique, nous avons également démontré que les états du ²¹²Po ayant une forte composante cluster « cœur +α » semblent être principalement situés à haute énergie d’excitation (E ∗ ≥ 3 MeV). Sept nouveaux états du ²¹²Po pour lesquels nous avons proposé des spins et des parités ont été découverts. Nous avons également mesuré les sections efficaces vers certains niveaux connus, et comparé ces résultats avec des calculs en voies couplées, ce qui a permis de confirmer la forte composante cluster « cœur +α » des niveaux 4⁻₃ et 7⁺₂ , et une faible composante cluster « cœur +α » dans les niveaux 2⁺₁ et 2⁺₂.Cinq nouveaux états du ²¹⁰Po ont été mis en évidence. Le modèle en couches a permis d’attribuer fermement leurs spins et parités, et d’identifier leurs configurations.

Several light nuclei, as ¹⁸O, display a ”core+ α” structure. ²¹²Po is the only heavy one where this phenomenon has been highlighted. In this thesis, we combined the measurement of the excitation energy of levels populated via transfer reaction from a ¹² C nucleus on a ²⁰⁸Pb nucleus, and the measurement of the γ decaying of these levels. A first experiment has been performed in inverse kinematic, using the AGATA Germanium array and a thick silicon detector. A second experiment, in direct kinematic has been done at Tokai’s Tandem using a telescope of silicon detectors, 4 HPGe and 4 LaBr₃ crystals. We describe the principle of these detectors, the datareduction up to the kinematical reconstruction, and the simulations used to build the experimental set-up and to validate the data analysis. We have studied 1p, 2p, 2p 1n and α transfer reactions leading to ²⁰⁹Bi, ²¹⁰Po, ²¹¹Po and ²¹²Po at energies around the Coulomb barrier.From the comparison of these reactions channels, we firmly established that the 4 nucleons are transfered simultaneously to produce ²¹²Po. Evolution of the excitation energy with the beam energy has shown that the 212Po states including a strong ”core + α” component lie much preferentially at high excitation energy (E∗ ≥ 3 MeV).Seven new energy levels of ²¹² Po have been discovered, for which spin and parity attributions are proposed. We also measured the partial cross-sections to several levels to characterize their cluster components. We confirmed the large ”core + α” components of the 4⁻₃ and 7⁺₂ and 7+2 states, and the weak ”core + α” components of the 2⁺₁ and 2⁺₂ states.Five new levels of ²¹⁰Po have been discovered. Shell model calculations allowed us to frimly assign spins and parities., Plusieurs noyaux légers, tels que le ¹⁸O, possèdent une structure « cœur + α » . À ce jour, le ²¹²Po est le seul noyau lourd où ce phénomène a été mis en évidence. Dans cette thèse, nous avons combiné la mesure de l’énergie d’excitation des niveaux peuplés par réaction de transfert depuis un noyau de ¹²C vers un noyau de ²⁰⁸Pb, et la mesure des désexcitations γ de ces niveaux.Une première expérience a été menée en cinématique inverse à l’aide du multi-détecteur germanium AGATA et d’un silicium épais. Une seconde expérience, en cinématique directe, a eu lieu auprès du tandem de Tokai avec un télescope de détecteurs silicium, et des cristaux HPGe et LaBr₃. Nous décrivons le fonctionnement des détecteurs, le traitement des données jusqu’à la reconstruction cinématique des événements, et les simulations ayant permis de bâtir le dispositif expérimental et de valider le traitement des données.Nous avons étudié les réactions de transferts 1p, 2p, 2p 1n et α, produisant les noyaux ²⁰⁹Bi, ²¹⁰Po, ²¹¹Po et²¹²Po à des énergies autour de la barrière Coulombienne. La comparaison des différentes voies de transfert nous a permis de démontrer clairement que les quatre nucléons conduisant au ²¹²Po étaient transférés simultanément. En comparant les énergies d’excitations calculées par un modèle semi-classique, nous avons également démontré que les états du ²¹²Po ayant une forte composante cluster « cœur +α » semblent être principalement situés à haute énergie d’excitation (E ∗ ≥ 3 MeV). Sept nouveaux états du ²¹²Po pour lesquels nous avons proposé des spins et des parités ont été découverts. Nous avons également mesuré les sections efficaces vers certains niveaux connus, et comparé ces résultats avec des calculs en voies couplées, ce qui a permis de confirmer la forte composante cluster « cœur +α » des niveaux 4⁻₃ et 7⁺₂ , et une faible composante cluster « cœur +α » dans les niveaux 2⁺₁ et 2⁺₂.Cinq nouveaux états du ²¹⁰Po ont été mis en évidence. Le modèle en couches a permis d’attribuer fermement leurs spins et parités, et d’identifier leurs configurations.

The shape of an atomic nucleus, ie. the deviation of its mass distribution from sphericity, is a fundamental property and governed by a delicate interplay of macroscopic and microscopic effects, such as the liquid-drop like binding energy and the nuclear shell structure, respectively. Studying nuclear shape properties using gamma ray spectroscopic methods allows detailed tests of different nuclear models, which were originally developed for stable nuclei. We proposed a project to study the evolution of nuclear shapes in exotic nuclei, far from the valley of stability, specifically in neutron-rich nuclei in the isotopic chains from Zr (Z=40) to Pd (Z=46). Usually, nuclear shapes are slowly evolving from spherical shapes around closed-shell or (doubly-) magic nuclei to elongated (prolate) shapes in nuclei with many valence nucleons. The nuclei of interest, however, show rapidly evolving patterns of excited states, which can be interpreted as rapid variations of the nuclear shape, including the rare observation of oblate (disk-like) and triaxial shapes. So far the known properties for these nuclei are (mainly) limited to excitation energies. Information on the nuclear collectivity, which can be deduced from the lifetime of the excited states, are sparse, while direct information of the shape is practically non existing. The simplest estimate of nuclear deformation in even-even nuclei can be obtained from the energy of the first 2⁺ state. For Sr (Z = 38) and Zr (Z = 40) isotopes this energy is observed to decrease dramatically at N = 60, while its evolution is much more gradual in Mo nuclei (Z = 42). Precise lifetime measurements provide a key ingredient in the systematic study of the evolution of nuclear deformation and the degree of collectivity in this region. Neutron-rich nuclei in the mass region of A = 100-120 were populated through the fusion-fission reaction of a ²³⁸U beam at 6.2 MeV/u on a ⁹Be target. The compound nucleus ²⁴⁷Cm was produced at an excitation energy of around 45 MeV before undergoing fission. The setup used for this study comprised the high-resolution mass spectrometer VAMOS in order to identify the nuclei in Z and A, the Advanced gamma ray Tracking Array AGATA of 35 germanium detectors to perform gamma ray spectroscopy, as well as a plunger mechanism to measure lifetimes down to a few ps using the Recoil Distance Doppler Shift method (RDDS). In addition, the target was surrounded by 24 Lanthanum Bromide (LaBr₃) detectors for a fast-timing measurement of lifetimes longer than 100 ps. The sophisticated set of spectrometers used in this experiment allowed measurement of nuclear lifetimes in a range from 100’s of picoseconds down to a few picoseconds. In this thesis, we will report on new lifetime results for short-lived states in neutron-rich (A ~ 100) nuclei, with an emphasis on the Zr, Mo and Ru chains. We will discuss the experimental techniques used to evaluate the lifetimes as well as their interpretation in terms of state-of-the-art nuclear structure models., La forme d’un noyau, ou la déviation de la distribution en masse par rapport à une forme sphérique, est une des propriétés fondamentales du noyau. Elle est gouvernée à la fois par des effets macroscopiques et microscopiques, tels que l'énergie de liaison donnée par le modèle de la goutte liquide ou la structure en couche du noyau, respectivement. L’étude de la forme des noyaux exotiques par spectrométrie gamma permet de tester finement différents modèles théoriques initialement développés pour les noyaux stables. L’objectif de cette thèse est l’étude de l’évolution de la forme des noyaux exotiques riches en neutrons dans les chaînes isotopiques allant du Zr (Z=40) au Pd (Z=46). Le plus souvent, la forme des noyaux évolue lentement de la forme sphérique, près des fermetures de couche ou des noyaux magiques (ou doublement magiques), à des formes allongées (prolate), pour des noyaux avec de nombreux nucléons de valence. Cependant, Les noyaux auxquels nous nous intéressons ont tendance à avoir des états excités qui évoluent rapidement en fonction du nombre de neutrons, ce qui peut être interprété comme des variations rapides de la forme du noyau. Ceci inclue dans de rares cas l'observation d'états de forme aplatie (oblate) et triaxiale. Jusqu'à présent, les propriétés connues de ces noyaux se limitent (principalement) aux énergies d'excitation. Les informations sur le degré de collectivité nucléaire (que l'on peut déduire de la durée de vie des états excités) sont rares, tandis que les informations directes de forme sont pratiquement inexistantes. L'estimation la plus simple de la déformation nucléaire dans les noyaux pairs peut être obtenue à partir de l'énergie du premier état 2⁺. Pour les isotopes du Sr (Z = 38) et du Zr (Z = 40), il a été observé que cette énergie diminue considérablement à N = 60, alors que son évolution est beaucoup plus progressive pour les isotopes du Mo (Z = 42). Des mesures précises de durée de vie constituent un élément clé de l'étude systématique de l'évolution de la déformation nucléaire et du degré de collectivité dans cette région. Des noyaux riches en neutrons dans la région de masse A = 100-120 ont été peuplés par la réaction de fusion-fission d'un faisceau de ²³⁸U à 6,2 MeV/u sur une cible ⁹Be. Le noyau composé ²⁴⁷Cm était produit à une énergie d'excitation de ∼45 MeV avant de fissionner. Le dispositif expérimental utilisé pour cette étude comprenait le spectromètre de masse de haute résolution VAMOS pour l'identification les noyaux en Z et A, le réseau de 35 détecteurs au germanium AGATA (Advanced γ-ray Tracking Array) AGATA, pour la spectroscopie de rayons γ, ainsi qu'un mécanisme de "plunger" pour mesurer la durée de vie jusqu'à quelques ps par la méthode RDDS (Recoil Distance Doppler Shift). De plus, la cible était entourée de 24 détecteurs LaBr₃ (Bromure de lanthane) pour mesurer des durées de vie plus de 100 ps avec la méthode du "fast-timing". La combinaison de spectromètres sophistiqués utilisée dans cette expérience a permis de mesurer des durées de vie d'états nucléaires allant de 100 picosecondes à quelques picosecondes. Dans cette thèse, nous exposerons de nouveaux résultats pour les états à courte durée de vie dans les noyaux riches en neutrons A∼100, en mettant l'accent sur les chaînes des Zr, Mo et Ru. Nous discuterons des techniques expérimentales utilisées pour évaluer les durées de vie ainsi que l'interprétation de celles-ci à l'aide de modèles de structures nucléaires récents.

Due to their inherent relationship with the binding energy, nuclear masses are the fingerprint of all the interactions taking place within the nucleus. As such, precise and accurate mass values are an essential ingredient to the comprehensive understanding of nuclear phenomena in exotic regions of the chart of nuclides. In this thesis, two key regions exhibiting dramatic structural evolution are investigated by means of high precision mass measurements performed with the online mass spectrometer ISOLTRAP at ISOLDE/CERN. Numerous spectroscopy results indicate that the chromium isotopic chain exhibits the most dramatic structural changes within the region situated south of 68Ni. This thesis reports on the first high-precision mass measurements of the neutron-rich 58-63Cr isotopes using the well established Penning trap mass spectrometry technique as well as the MRToF-MS technique pioneered at ISOLTRAP in recent years. The obtained mass values are up to 300 times more precise than the ones currently available in the literature. At odds with previous results, the new mass values exclude a sudden onset of ground-state collectivity rather favouring a smooth transition towards deformation approaching N=40. The question of the persistence of the N=28 shell closure in the Argon chain is also studied in this PhD work through the measurement of the neutron-rich 46-48Ar isotopes. The results of improved precision confirm the presence of a strong N=28 shell closure in the Argon chain. For both datasets, the detailed data analysis procedure will be presented. The implication of the obtained mass values for nuclear structure will be discussed through a phenomenological discussion of the binding energy trend. The results will also be discussed in the light of state of the art nuclear models including results from the promising valence-space formulation of the ab-initio IM-SRG formalism.; Le lien étroit existant entre la masse d'un noyau et son énergie de liaison fait de la masse un observable incontournable pour enrichir notre compréhension de l'évolution de la structure nucléaire dans des régions de la carte des noyaux éloignées de la vallée de la stabilité. Dans cette thèse deux régions présentant d'importants changements structurales sont étudiés à travers des mesures de masses de haute précision effectuées à ISOLDE/CERN avec le spectromètre ISOLTRAP. De nombreux résultats de spectroscopie nucléaire indiquent que la chaîne isotopique du chrome présente les changements structurales les plus importants dans toute la région de déformation nucléaire observée au sud du nickel 68. Cette thèse présente les premières mesures de haute précision des isotopes 58-63Cr grâce à des techniques de spectrométrie de masse de pointe faisant appel à l'utilisation d'un piège de Penning ainsi qu'à un spectromètre en temps de vol de type MRToF-MS. Les mesures ainsi obtenues sont jusqu'à 300 fois plus précises que celles disponibles dans la littérature actuelle. Au contraire des résultats précédents, ces nouvelles mesures suggèrent une évolution progressive de l'état fondamental des chromes vers la déformation aux abords de N=40. La question de la persistance de la fermeture de couche à N=28 dans la chaine de l'argon est aussi abordée dans le cadre de cette thèse de doctorat à travers la mesure des isotopes 46-48 de l'argon. Les résultats d'une précision améliorée confirment la présence d'une forte fermeture de couche à N=28 dans l'argon. Pour chaque jeu de données la procédure d'analyse est détaillée. L'implication pour la physique nucléaire des résultats expérimentaux obtenus sont discutés de manière phénoménologique ainsi qu'à travers des modèles représentant l'état de l'art de la recherche en physique nucléaire théorique.

Due to their inherent relationship with the binding energy, nuclear masses are the fingerprint of all the interactions taking place within the nucleus. As such, precise and accurate mass values are an essential ingredient to the comprehensive understanding of nuclear phenomena in exotic regions of the chart of nuclides. In this thesis, two key regions exhibiting dramatic structural evolution are investigated by means of high precision mass measurements performed with the online mass spectrometer ISOLTRAP at ISOLDE/CERN. Numerous spectroscopy results indicate that the chromium isotopic chain exhibits the most dramatic structural changes within the region situated south of 68Ni. This thesis reports on the first high-precision mass measurements of the neutron-rich 58-63Cr isotopes using the well established Penning trap mass spectrometry technique as well as the MRToF-MS technique pioneered at ISOLTRAP in recent years. The obtained mass values are up to 300 times more precise than the ones currently available in the literature. At odds with previous results, the new mass values exclude a sudden onset of ground-state collectivity rather favouring a smooth transition towards deformation approaching N=40. The question of the persistence of the N=28 shell closure in the Argon chain is also studied in this PhD work through the measurement of the neutron-rich 46-48Ar isotopes. The results of improved precision confirm the presence of a strong N=28 shell closure in the Argon chain. For both datasets, the detailed data analysis procedure will be presented. The implication of the obtained mass values for nuclear structure will be discussed through a phenomenological discussion of the binding energy trend. The results will also be discussed in the light of state of the art nuclear models including results from the promising valence-space formulation of the ab-initio IM-SRG formalism.; Le lien étroit existant entre la masse d'un noyau et son énergie de liaison fait de la masse un observable incontournable pour enrichir notre compréhension de l'évolution de la structure nucléaire dans des régions de la carte des noyaux éloignées de la vallée de la stabilité. Dans cette thèse deux régions présentant d'importants changements structurales sont étudiés à travers des mesures de masses de haute précision effectuées à ISOLDE/CERN avec le spectromètre ISOLTRAP. De nombreux résultats de spectroscopie nucléaire indiquent que la chaîne isotopique du chrome présente les changements structurales les plus importants dans toute la région de déformation nucléaire observée au sud du nickel 68. Cette thèse présente les premières mesures de haute précision des isotopes 58-63Cr grâce à des techniques de spectrométrie de masse de pointe faisant appel à l'utilisation d'un piège de Penning ainsi qu'à un spectromètre en temps de vol de type MRToF-MS. Les mesures ainsi obtenues sont jusqu'à 300 fois plus précises que celles disponibles dans la littérature actuelle. Au contraire des résultats précédents, ces nouvelles mesures suggèrent une évolution progressive de l'état fondamental des chromes vers la déformation aux abords de N=40. La question de la persistance de la fermeture de couche à N=28 dans la chaine de l'argon est aussi abordée dans le cadre de cette thèse de doctorat à travers la mesure des isotopes 46-48 de l'argon. Les résultats d'une précision améliorée confirment la présence d'une forte fermeture de couche à N=28 dans l'argon. Pour chaque jeu de données la procédure d'analyse est détaillée. L'implication pour la physique nucléaire des résultats expérimentaux obtenus sont discutés de manière phénoménologique ainsi qu'à travers des modèles représentant l'état de l'art de la recherche en physique nucléaire théorique.

The aim of this thesis is the study of nuclear structure properties of the neutron-rich Sn isotopes towards the N=82 shell closure and beyond by high-resolution collinear laser spectroscopy. The hyperfine structures and isotope shifts along ¹⁰⁸⁻¹³⁴Sn were measured using the COLLAPS instrumentation at ISOLDE, CERN. Two independent experiments using transitions with complementary properties, respectively at 452 and 286 nanometres studied the 5p6s ¹P₁ and the 5p6s ³P₁ states in the neutral atom. The singlet state provided high sensitivity to quadrupole moments while the triplet facilitated a large magnetic splitting. From a self-consistent analysis of the two data sets, nuclear spins, electromagnetic moments and charge radii have been extracted. The properties of the long-lived isomers in ¹¹³Sn, ¹²³Sn, ¹²⁸Sn and the ground state of ¹³³Sn and ¹³⁴Sn have been assessed for the first time. The quadrupole moments of the 11/2⁻ states, determined with much higher precision than in previous studies, have been found to follow a nearly linear trend. A "kink" in the radii trend at N=82 was observed for the first time. Beyond mean-field calculations provide an accurate description of the radii and further relate the overall trend to correlations stemming from the fluctuations of the quadrupole moments., L’objectif de cette thèse est l'étude par spectroscopie laser colinéaire à haute résolution de la structure nucléaire des isotopes d’étain riches en neutrons, vers de la fermeture de couche N=82 et au-delà. Les structures hyperfines et les déplacements isotopiques le long de ¹⁰⁸⁻¹³⁴Sn ont été mesurés en utilisant l’expérience COLLAPS à ISOLDE au CERN. Deux expériences indépendantes, utilisant des propriétés de transitions complémentaires l’une à 452 et l’autre à 286 nanomètres, ont étudiées les états 5p6s ¹P₁ et 5p6s ³P₁ dans l'atome neutre. L'état singlet fournit une sensibilité élevée au moment quadrupolaire tandis que le triplet facilite une grande séparation magnétique. A partir d'une analyse auto-cohérente des deux ensembles de données, les spins nucléaires, les moments électromagnétiques et les rayons de charge ont été extraits. Les propriétés des isomères à vie longue des noyaux ¹¹³Sn, ¹²³Sn, ¹²⁸Sn ainsi que l'état fondamental de ¹³³Sn et ¹³⁴Sn ont été évalués pour la première fois. Les moments quadrupolaires des états 11/2⁻, déterminés avec une plus grande précision que les études précédentes, suivent une tendance presque linéaire. Un coude à N=82 dans la courbe des rayons a été observé pour la première fois. Des calculs de champ moyen fournissent une description précise des rayons et relient en outre la tendance globale aux corrélations provenant des fluctuations des moments quadrupolaires.

The structure of the unstable doubly ma- gic nucleus 56Ni has been investigated by measuring one- and two-nucleon transfer reactions. Each trans- fer reaction provides information for two different physical aspects: the robustness of the N=28 shell gap and the strength of the neutron-proton pairing. 56Ni is a self-conjugate doubly magic nucleus with N=28 and Z=28. The magic number 28 is a peculiar shell closure created by spin-orbit splitting effects. The double magicity makes the determination of the single-particle nature of their N±1 neighbors by one-neutron transfer reaction of major interest to test both the robustness of shell closures as well as the evolution of particle and/or valence orbitals. Moreover 56Ni, as a N=Z nucleus with fully closed shells, is a key nucleus to investigate neutron-proton pairing in the largest shell accessible experimentally, the fp shell. Neutron-proton pairing can occur both in the isoscalar (T=0) and in the isovector (T=1) channels. The relative intensity of both channels reveals the collective nature of the states. The radioactive beam of 56Ni was produced at GANIL-Caen, France at 30 MeV/u by fragmentation of 58Ni and purification with the LISE spectrometer. The experimental set-up used, consists of the TIARA- MUST2-EXOGAM combination which provides an al- most 4π coverage and the ability to perform particle- γ coincidences. To probe the N=28 gap, we studied the spectroscopy of 55Ni through one-nucleon trans- fer reactions on 56Ni. The excitation energy spectrum is deduced by measuring the light ejectiles only, while particle-γ coincidences are used to improve the re- solution of the populated states and select the main ones. Comparison in between the extracted angular distributions and DWBA calculations allow the extraction of the spectroscopic strength of the hole- and particle- states populated by these one neutron pick- up reactions. As for neutron-proton pairing, a weakening of the strength is expected in the T=0 channel from previous results. The selectivity in ∆T=0 of the 56Ni(d,α)54Co reaction enables further investigation of the isoscalar channel contribution.; La structure du noyau N = Z doublement magique 56Ni (N = 28, Z = 28) a été étudiée en mesurant les réactions de transfert á un et deux nucléons. Le transfert nous donne des informations sur deux aspects physiques différents: la fermeture de couche N=28 et l’intensité de l’appariement neutron-proton. Le nombre magique N=28 est particulier, car c’est le premier créé par le spin-orbit. La double magicité permet la détermination de la nature de particule indépendante des voisins N±1 par réaction de transfert d’un nucléon. De plus, en tant que noyau N=Z a couches fermeés, le 56Ni est un noyau clé pour l’étude de l’apparement np dans la plus grande couche accessible expérimentalement. L’apparement np se manifeste dans le canal isoscalaire (T=0) et isovecteur (T=1). L’intensité relative de chaque canal révèle la nature collective des états. L’expérience de ce travail a eu lieu au GANIL-Caen, en France, avec un faisceau radioactif de 56Ni á 30MeV / u produit par frag- mentation de 58Ni et purification avec le spectromètreLISE. Les mesures ont été effectuées en cinématique inverse sur des cibles CH2 et CD2. Les détecteurs MUST2 et TIARA ont été utilisés pour la détection de éjectiles légers et couvraient presque 4π. En outre, quatre détecteurs germanium d’EXOGAM ont été utilisés pour les coïncidences de particules-gamma afin d’identifier l’état peuplé du résidu de réaction. Pour étudier le gap de N=28, nous étudions la spectroscopie du 55Ni par les réactions de transfert de nucléons (d, t) et (p, d) sur le 56Ni. Le spectre en énergie d’excitation est déduit de la mesure des éjectiles légers seulement. Ensuite,les coincidences particule-gamma sont utilisées pour améliorer la résolution et identifier les principaux états peuplés. La comparaison des distributions angulaires ainsi obtenues avec des calculs DWBA permet d’extraire les facteurs spectroscopiques pour les états de particules et de trous ainsi peuplés. En ce qui concerne l’appariement np, nous avons analysé la réaction 56Ni(d,α)54Co qui réalise un transfert de paires neutron-proton. Un affaiblissement du canal T=0 á cause de l’effet du spin-orbite est attendu. La sélectivité en ∆T=0 de la réaction (d, α) permet d’étudier plus en détail le canal isoscalaire T = 0.

The structure of the unstable doubly ma- gic nucleus 56Ni has been investigated by measuring one- and two-nucleon transfer reactions. Each trans- fer reaction provides information for two different physical aspects: the robustness of the N=28 shell gap and the strength of the neutron-proton pairing. 56Ni is a self-conjugate doubly magic nucleus with N=28 and Z=28. The magic number 28 is a peculiar shell closure created by spin-orbit splitting effects. The double magicity makes the determination of the single-particle nature of their N±1 neighbors by one-neutron transfer reaction of major interest to test both the robustness of shell closures as well as the evolution of particle and/or valence orbitals. Moreover 56Ni, as a N=Z nucleus with fully closed shells, is a key nucleus to investigate neutron-proton pairing in the largest shell accessible experimentally, the fp shell. Neutron-proton pairing can occur both in the isoscalar (T=0) and in the isovector (T=1) channels. The relative intensity of both channels reveals the collective nature of the states. The radioactive beam of 56Ni was produced at GANIL-Caen, France at 30 MeV/u by fragmentation of 58Ni and purification with the LISE spectrometer. The experimental set-up used, consists of the TIARA- MUST2-EXOGAM combination which provides an al- most 4π coverage and the ability to perform particle- γ coincidences. To probe the N=28 gap, we studied the spectroscopy of 55Ni through one-nucleon trans- fer reactions on 56Ni. The excitation energy spectrum is deduced by measuring the light ejectiles only, while particle-γ coincidences are used to improve the re- solution of the populated states and select the main ones. Comparison in between the extracted angular distributions and DWBA calculations allow the extraction of the spectroscopic strength of the hole- and particle- states populated by these one neutron pick- up reactions. As for neutron-proton pairing, a weakening of the strength is expected in the T=0 channel from previous results. The selectivity in ∆T=0 of the 56Ni(d,α)54Co reaction enables further investigation of the isoscalar channel contribution.; La structure du noyau N = Z doublement magique 56Ni (N = 28, Z = 28) a été étudiée en mesurant les réactions de transfert á un et deux nucléons. Le transfert nous donne des informations sur deux aspects physiques différents: la fermeture de couche N=28 et l’intensité de l’appariement neutron-proton. Le nombre magique N=28 est particulier, car c’est le premier créé par le spin-orbit. La double magicité permet la détermination de la nature de particule indépendante des voisins N±1 par réaction de transfert d’un nucléon. De plus, en tant que noyau N=Z a couches fermeés, le 56Ni est un noyau clé pour l’étude de l’apparement np dans la plus grande couche accessible expérimentalement. L’apparement np se manifeste dans le canal isoscalaire (T=0) et isovecteur (T=1). L’intensité relative de chaque canal révèle la nature collective des états. L’expérience de ce travail a eu lieu au GANIL-Caen, en France, avec un faisceau radioactif de 56Ni á 30MeV / u produit par frag- mentation de 58Ni et purification avec le spectromètreLISE. Les mesures ont été effectuées en cinématique inverse sur des cibles CH2 et CD2. Les détecteurs MUST2 et TIARA ont été utilisés pour la détection de éjectiles légers et couvraient presque 4π. En outre, quatre détecteurs germanium d’EXOGAM ont été utilisés pour les coïncidences de particules-gamma afin d’identifier l’état peuplé du résidu de réaction. Pour étudier le gap de N=28, nous étudions la spectroscopie du 55Ni par les réactions de transfert de nucléons (d, t) et (p, d) sur le 56Ni. Le spectre en énergie d’excitation est déduit de la mesure des éjectiles légers seulement. Ensuite,les coincidences particule-gamma sont utilisées pour améliorer la résolution et identifier les principaux états peuplés. La comparaison des distributions angulaires ainsi obtenues avec des calculs DWBA permet d’extraire les facteurs spectroscopiques pour les états de particules et de trous ainsi peuplés. En ce qui concerne l’appariement np, nous avons analysé la réaction 56Ni(d,α)54Co qui réalise un transfert de paires neutron-proton. Un affaiblissement du canal T=0 á cause de l’effet du spin-orbite est attendu. La sélectivité en ∆T=0 de la réaction (d, α) permet d’étudier plus en détail le canal isoscalaire T = 0.

The 12C+ 12C fusion reaction plays a key role in the late evolution of massive stars. Its cross section exhibits strong resonances down to the astrophysical region of interest, often associated with a molecular configuration of the 24Mg nucleus. In this thesis, the 12C+ 12C fusion cross section has been measured from the Coulomb barrier down to the astrophysical region of interest. The charged particle-gamma coincidence technique has been used. A new experimental setup, STELLA, has been developed and built during this thesis. It is composed of a reaction chamber, a set of annular silicon strip detectors, a rotating target mechanism, an ultra high vacuum system, a digital time-stamped data acquistion system, and a structure that fits 36 LaBr3 detectors. STELLA has been installed at the Andromède facility (Orsay, France). Successfull experiments have been carried out to extract fusion cross sections down to the Gamow window for the carbon burning phase of massive stars.; La réaction de fusion 12C+ 12C marque un tournant dans l’évolution des étoiles massives. La section efficace présente des résonances jusqu’aux énergies d’intérêt astrophysique, généralement associées à une structure moléculaire dans le 24Mg. Au cours de cette thèse, la section efficace de fusion 12C+ 12C a été mesurée depuis la barrière de Coulomb jusqu’aux énergies d’intérêt astrophysique. La mesure en coïncidence des particules chargées et des γ a été employée. Un dispositif expérimental, STELLA, a été développé et construit au cours de cette thèse. Il comprend une chambre à réaction, des détecteurs annulaires au silicium, un mécanisme de cibles tournantes, un système de pompage pour vide poussé, un système d’acquisition digital, et une structure pour supporter 36 détecteurs LaBr3. STELLA a été installée auprès de l’accélérateur Andromède (Orsay, France) et une série d’expériences fructueuses ont permis d’obtenir des résultats cohérents au cœur de la fenêtre de Gamow pour la phase de combustion du carbone dans les étoiles massives.

A good understanding and prediction capacity of neutron scattering cross sections is crucial to many nuclear technologies, among which all kinds of reactors based on fission process. For deformed nuclei, the computation of scattering observables for the elastic channel and the first, low-lying excited states requires coupled channel calculations. Local, phenomenological optical and macroscopic transition potentials are the most commonly used in coupled channel analyses, but their accuracy outside of their fitting range remains unpredictable. Microscopic approaches are being developed in order to improve prediction power and solve the extrapolation issue. Potentials obtained microscopically are nonlocal, and recent studies have emphasized the importance of treating explicitly this nonlocality, without using a localization procedure. Our goal in the present work is to study in a quantum framework with no adjustable parameter, the impact of the nonlocality of potentials on scattering observables of nucleon-nucleus reactions. To achieve this we study neutron scattering with the Melbourne G matrix, which represents the interaction between the projectile and one nucleon of the target, and we describe the target’s structure using the RPA for our first applications to ⁹⁰Zr. In order to be able to study also deformed nuclei, we do our study in the coupled channel framework. The first part of this paper is dedicated to the derivation in a unique, consistent scope of coupled equations for nucleon-nucleus scattering and of the potentials obtained with the Melbourne G matrix and RPA structure input. Secondly, we describe the codes which we wrote during this Ph.D. project: MINOLOP for the computation of microscopic potentials using the Melbourne G matrix and structure inputs given in terms of a 1-body density, and ECANOL for the resolution of coupled channel equations using nonlocal potentials as input. Eventually, we present our first applications using these two codes to study pre-equilibrium emissions due to 2-phonon excitations in ⁹⁰Zr., Une bonne compréhension et une bonne capacité de prédiction de la section efficace de diffusion de neutron est essentielle à un grand nombre de technologies nucléaires, parmi lesquelles les réacteurs à fission. Pour les noyaux déformés, le calcul des observables de diffusion de nucléon pour la voie élastique et les premiers états excités de basse énergie requiert l'utilisation de calcul en voies couplées. Des potentiels optique et de transition phénoménologiques locaux sont le plus couramment utilisés dans les analyses par voies couplées, mais leur précision en dehors de leur domaine d'ajustement est imprévisible. Des approches microscopiques sont en cours de développement pour augmenter les capacités prédictives et résoudre les problèmes d'extrapolation. Un potentiel obtenu microscopiquement est non local, et de récentes études ont souligné l'importance de traiter explicitement cette non localité sans passer par une procédure de localisation. Notre but dans ce travail est d'étudier dans une approche microscopique, sans paramètre ajustable, l'impact de la non localité des potentiels sur les observables de diffusion de nucléon sur noyau cible. Pour ce faire, nous étudions la diffusion de neutron avec la matrice G de Melbourne qui représente l'interaction entre le projectile et un nucléon de la cible, et nous utilisons la RPA pour décrire la structure de la cible dans le cadre de nos premières applications sur le ⁹⁰Zr. Pour pouvoir étudier aussi des noyaux déformés, nous menons notre étude dans le cadre des voies couplées. La première partie de ce document contient la dérivation, faite dans un cadre unique et cohérent, des équations couplées pour la diffusion de nucléons et des potentiels microscopiques obtenues avec la matrice G de Melbourne et une description de la cible via la RPA. La deuxième partie est dédiée à la présentation des codes que nous avons développés durant ce projet de thèse : MINOLOP pour le calcul de potentiels microscopiques à partir de la matrice G de Melbourne et d'informations de structure données sous la forme d'une densité à 1 corps, et ECANOL pour la résolution des équations en voies couplées avec des potentiels non locaux en entrée. Enfin, nous présentons nos premières applications basées sur ces deux codes : l'étude d'émission de pré-équilibre due à des excitations à 2 phonons dans le ⁹⁰Zr.

The atomic nucleus is intrinsically a complex system, composed of strongly correlated non-elementary fermions, sensitive to strong and electroweak interaction. The description of its internal structure is a major challenge of modern physics. In fact the complexity of the nucleon-nucleon interaction generates correlations which are responsible of the diversity of shapes that the nuclei can adopt. Indeed the nuclei can adopt either quasi-homogeneous shapes when nucleons are delocalized or shapes where spatially localized structure can emerge, namely nuclear clusters. This work is an extension of relativistic mean-fields approach (RMF), which allows an universal treatment of nuclear phenomenology. In a first time we will present the necessary formalism to construct such an approach starting with the fundamental interactions underlying nucleons dynamics within the nucleus. However this approach doesn't allow an accurate reproduction of experimental properties: a purely mean-field approach neglects to many correlations. Existing methods to treat both particle-hole (deformation), particle-particle (pairing) correlations will be discussed. First we will propose a new diagrammatic method, which take correlation into account in a perturbative way, the implementation of this approach using combinatory theory will be discussed. Then we will get back to a phenomenological treatment of particle-hole correlations, to focus on the impact of particle-particle. Formation of nucleonic pair will be discussed in the language of graph theory, allowing several formal simplifications and shed a different light on pairing. Pairing correlations will be at first treated using a relativistic Hartree-Bogolioubov approach. Nevertheless this formalism doesn't conserve particle number, and thus we will present a projective approach to restore it. The effect of this restoration will also be studied. Then to describe general nuclear deformation, several implementations and optimizations developed during this PhD will be presented. With this tools, clusterisation will be investigated as phenomenon emerging for certain class of correlations. Localization measure will be derived allowing a clearer understanding of cluster physics. The analysis of theses quantities makes possible a first unified description of cluster formation both for light nuclei (Neon) or for heavy alpha emitters (Polonium). Cluster emergence will be described as a quantum phase transition, an order parameter will be displayed and this formation will be characterized as a Mott transition. The influence of pairing correlations on cluster formation is studied and a detailed study of pairs spatial properties is performed for nuclei from several mass regions. Lastly a method allowing treatment of 4-body correlations (quartteting) is proposed to explain cluster emergence as alpha particle preformation.; Le noyau est par essence un système complexe, composé de fermions composites fortement corrélés, soumis à la fois aux interactions forte, faible et électromagnétique. La description de sa structure interne est un enjeu important de la physique moderne. Ainsi la manière qu'ont les nucléons de s'organiser au sein des noyaux atomiques est le reflet des corrélations auxquelles ils sont soumis. On comprend alors que la complexité des interactions inter-nucléoniques se traduit par une grande richesse de schémas selon lesquels les nucléons se distribuent dans les systèmes nucléaires. Le noyau révèle une structure délocalisée où les nucléons se répartissent de façon quasi-homogène dans le volume nucléaire. Mais il peut également présenter des sous-structures localisées, appelées clusters ou agrégats nucléaires. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre des approches de type champ-moyen relativiste (RMF), permettant un traitement universel de la phénoménologie nucléaire. Dans un premier temps, nous exposerons les éléments de formalisme permettant la construction d’une telle approche en partant des interactions fondamentales qui sous-tendent la dynamique nucléonique au sein des noyaux. Néanmoins ce formalisme ne permet pas de rendre compte des propriétés expérimentales des observables nucléaires : une stricte approche de type champ-moyen, néglige de trop nombreuses classes de corrélations. Nous discuterons alors des méthodes existantes pour prendre en compte ces corrélations, de type particule-trou (déformation) ainsi que de type particules-particules (appariement). Dans un premier temps, une nouvelle méthode diagrammatique, permettant une approche perturbative des corrélations est proposée ainsi qu’une implémentation automatisée associée basée sur une théorie combinatoire. Ensuite, nous reviendrons à un traitement phénoménologique des corrélations particules-trous, pour nous focaliser sur l’impact des corrélations particules-particules. En premier lieu nous discuterons le phénomène de formation de paires nucléoniques en utilisant le langage de la théorie des graphes, langage permettant plusieurs simplifications formelles ainsi qu’une compréhension différentes de l’appariement. Les corrélations d’appariement seront tout d’abord prise en compte par une approche de type Hartree-Bogolioubov relativiste. Toutefois ce formalisme ne conservant pas le nombre de particules, nous présenterons une approche projective permettant de le restaurer. L’effet de cette restauration sur le système sera également étudié. Seront ensuite présentés les différentes implémentations et optimisations numériques, développées pendant cette thèse, pour un traitement général des déformations nucléaires. Munis de ces outils, nous reviendrons sur la formation d’agrégats nucléaires, les clusters, comme phénomène émergent issu de la prise en compte de certaines classes de corrélations. Tout d’abord des mesures de localisations et paramètres quantifiant la dispersion des fonctions d’ondes nucléoniques sont proposées, permettant d’analyser le noyau pour localiser et comprendre l’origine de l’agrégation. L’analyse de ces quantités est présentée et permet la première description unifiée de la formation de clusters aussi bien dans les noyaux légers (Néon, Magnésium) que dans les noyaux lourds émetteurs alpha (Polonium). L’émergence des clusters est ensuite décrite au travers du prisme des transitions de phases quantiques. Un paramètre d’ordre est exhibé ainsi que la caractérisation de ce phénomène en tant que transition de Mott. L’influence des corrélations d’appariement sur la formation de clusters est analysée et une étude précise des propriétés spatiales des paires de nucléons est menée pour plusieurs noyaux dans différentes régions de masses. Enfin une méthode de prise en compte de corrélations à 4-corps, dite de quartet est proposée pour tenter d’expliquer l’émergence des clusters en tant que préformation de particules alpha.

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., 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.; 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.

This dissertation focuses on experimental nuclear physics experimentswith light nuclei far from stability. It revolves around the concept ofresonance: whether they are giant, pygmy or simple experimental tools.This memoir consists, after my resume, of a brief introduction of thetheoretical tools, in order to connect the resonances studied experimentally in the second part. Then come the chapters dealing with transfer in light nuclei (9He) at GANIL, an overview of the different techniques and results obtained on boron 15-21B and carbons 17-23C isotopes during the first SAMURAI campaign at RIKEN. The section on 16C, which is a lecture at the Master NAC at the University of Caen, links to my postdoctoral fellow time at Berkeley. Then comes the study of giant resonances in radioactive nuclei (and in particular the compression modes) at GANIL. Finally, an independent section presents scientificoutreach works., Cet habilitation à diriger des recherches se concentre sur des travauxexpérimentaux produits en structure nucléaire dans les noyaux légersloin de la stabilité. Elle se concentre autour de la notion de résonance: qu’elles soient géantes, pygmées ou simples outils expérimentaux.Ce mémoire se compose, après mon curriculum vitae, d’une introductionsuccincte des outils théoriques, avec pour objectif de relier les résonances étudiées expérimentalement dans la seconde partie. Puis viennent les chapitres traitant du transfert dans les noyaux légers (9He) au GANIL, un aperçu des différentes techniques et résultats obtenus sur les isotopes de bores 15-21B et de carbones 17-23C dans la première campagne SAMURAI à RIKEN. La partie sur le 16C, extraite d’un cours au Master NAC de Caen, est à relier à mon séjour post-doctoral à Berkeley. Puis vient l’étude des résonances géantes dans les noyaux radioactifs (et en particulier les modes de compression) au GANIL. Enfin, une dernière section indépendante présente des travaux plus généraux de communication scientifique.

The 12C+ 12C fusion reaction plays a key role in the late evolution of massive stars. Its cross section exhibits strong resonances down to the astrophysical region of interest, often associated with a molecular configuration of the 24Mg nucleus. In this thesis, the 12C+ 12C fusion cross section has been measured from the Coulomb barrier down to the astrophysical region of interest. The charged particle-gamma coincidence technique has been used. A new experimental setup, STELLA, has been developed and built during this thesis. It is composed of a reaction chamber, a set of annular silicon strip detectors, a rotating target mechanism, an ultra high vacuum system, a digital time-stamped data acquistion system, and a structure that fits 36 LaBr3 detectors. STELLA has been installed at the Andromède facility (Orsay, France). Successfull experiments have been carried out to extract fusion cross sections down to the Gamow window for the carbon burning phase of massive stars., La réaction de fusion 12C+ 12C marque un tournant dans l’évolution des étoiles massives. La section efficace présente des résonances jusqu’aux énergies d’intérêt astrophysique, généralement associées à une structure moléculaire dans le 24Mg. Au cours de cette thèse, la section efficace de fusion 12C+ 12C a été mesurée depuis la barrière de Coulomb jusqu’aux énergies d’intérêt astrophysique. La mesure en coïncidence des particules chargées et des γ a été employée. Un dispositif expérimental, STELLA, a été développé et construit au cours de cette thèse. Il comprend une chambre à réaction, des détecteurs annulaires au silicium, un mécanisme de cibles tournantes, un système de pompage pour vide poussé, un système d’acquisition digital, et une structure pour supporter 36 détecteurs LaBr3. STELLA a été installée auprès de l’accélérateur Andromède (Orsay, France) et une série d’expériences fructueuses ont permis d’obtenir des résultats cohérents au cœur de la fenêtre de Gamow pour la phase de combustion du carbone dans les étoiles massives.

The atomic nucleus is intrinsically a complex system, composed of strongly correlated non-elementary fermions, sensitive to strong and electroweak interaction. The description of its internal structure is a major challenge of modern physics. In fact the complexity of the nucleon-nucleon interaction generates correlations which are responsible of the diversity of shapes that the nuclei can adopt. Indeed the nuclei can adopt either quasi-homogeneous shapes when nucleons are delocalized or shapes where spatially localized structure can emerge, namely nuclear clusters. This work is an extension of relativistic mean-fields approach (RMF), which allows an universal treatment of nuclear phenomenology. In a first time we will present the necessary formalism to construct such an approach starting with the fundamental interactions underlying nucleons dynamics within the nucleus. However this approach doesn't allow an accurate reproduction of experimental properties: a purely mean-field approach neglects to many correlations. Existing methods to treat both particle-hole (deformation), particle-particle (pairing) correlations will be discussed. First we will propose a new diagrammatic method, which take correlation into account in a perturbative way, the implementation of this approach using combinatory theory will be discussed. Then we will get back to a phenomenological treatment of particle-hole correlations, to focus on the impact of particle-particle. Formation of nucleonic pair will be discussed in the language of graph theory, allowing several formal simplifications and shed a different light on pairing. Pairing correlations will be at first treated using a relativistic Hartree-Bogolioubov approach. Nevertheless this formalism doesn't conserve particle number, and thus we will present a projective approach to restore it. The effect of this restoration will also be studied. Then to describe general nuclear deformation, several implementations and optimizations developed during this PhD will be presented. With this tools, clusterisation will be investigated as phenomenon emerging for certain class of correlations. Localization measure will be derived allowing a clearer understanding of cluster physics. The analysis of theses quantities makes possible a first unified description of cluster formation both for light nuclei (Neon) or for heavy alpha emitters (Polonium). Cluster emergence will be described as a quantum phase transition, an order parameter will be displayed and this formation will be characterized as a Mott transition. The influence of pairing correlations on cluster formation is studied and a detailed study of pairs spatial properties is performed for nuclei from several mass regions. Lastly a method allowing treatment of 4-body correlations (quartteting) is proposed to explain cluster emergence as alpha particle preformation., Le noyau est par essence un système complexe, composé de fermions composites fortement corrélés, soumis à la fois aux interactions forte, faible et électromagnétique. La description de sa structure interne est un enjeu important de la physique moderne. Ainsi la manière qu'ont les nucléons de s'organiser au sein des noyaux atomiques est le reflet des corrélations auxquelles ils sont soumis. On comprend alors que la complexité des interactions inter-nucléoniques se traduit par une grande richesse de schémas selon lesquels les nucléons se distribuent dans les systèmes nucléaires. Le noyau révèle une structure délocalisée où les nucléons se répartissent de façon quasi-homogène dans le volume nucléaire. Mais il peut également présenter des sous-structures localisées, appelées clusters ou agrégats nucléaires. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre des approches de type champ-moyen relativiste (RMF), permettant un traitement universel de la phénoménologie nucléaire. Dans un premier temps, nous exposerons les éléments de formalisme permettant la construction d’une telle approche en partant des interactions fondamentales qui sous-tendent la dynamique nucléonique au sein des noyaux. Néanmoins ce formalisme ne permet pas de rendre compte des propriétés expérimentales des observables nucléaires : une stricte approche de type champ-moyen, néglige de trop nombreuses classes de corrélations. Nous discuterons alors des méthodes existantes pour prendre en compte ces corrélations, de type particule-trou (déformation) ainsi que de type particules-particules (appariement). Dans un premier temps, une nouvelle méthode diagrammatique, permettant une approche perturbative des corrélations est proposée ainsi qu’une implémentation automatisée associée basée sur une théorie combinatoire. Ensuite, nous reviendrons à un traitement phénoménologique des corrélations particules-trous, pour nous focaliser sur l’impact des corrélations particules-particules. En premier lieu nous discuterons le phénomène de formation de paires nucléoniques en utilisant le langage de la théorie des graphes, langage permettant plusieurs simplifications formelles ainsi qu’une compréhension différentes de l’appariement. Les corrélations d’appariement seront tout d’abord prise en compte par une approche de type Hartree-Bogolioubov relativiste. Toutefois ce formalisme ne conservant pas le nombre de particules, nous présenterons une approche projective permettant de le restaurer. L’effet de cette restauration sur le système sera également étudié. Seront ensuite présentés les différentes implémentations et optimisations numériques, développées pendant cette thèse, pour un traitement général des déformations nucléaires. Munis de ces outils, nous reviendrons sur la formation d’agrégats nucléaires, les clusters, comme phénomène émergent issu de la prise en compte de certaines classes de corrélations. Tout d’abord des mesures de localisations et paramètres quantifiant la dispersion des fonctions d’ondes nucléoniques sont proposées, permettant d’analyser le noyau pour localiser et comprendre l’origine de l’agrégation. L’analyse de ces quantités est présentée et permet la première description unifiée de la formation de clusters aussi bien dans les noyaux légers (Néon, Magnésium) que dans les noyaux lourds émetteurs alpha (Polonium). L’émergence des clusters est ensuite décrite au travers du prisme des transitions de phases quantiques. Un paramètre d’ordre est exhibé ainsi que la caractérisation de ce phénomène en tant que transition de Mott. L’influence des corrélations d’appariement sur la formation de clusters est analysée et une étude précise des propriétés spatiales des paires de nucléons est menée pour plusieurs noyaux dans différentes régions de masses. Enfin une méthode de prise en compte de corrélations à 4-corps, dite de quartet est proposée pour tenter d’expliquer l’émergence des clusters en tant que préformation de particules alpha.

The current paradigm to describe the nuclear interaction is within the frame of Chiral Effective Field Theory (ₓEFT) which organizes contributions to observables in a serie of decreasing importance. It happens that the leading contribution already requires to solve exactly the Schrödinger equation with a particular Hamiltonian. The same requirement is at play in pionless EFT which considers only nucleonic degrees of freedom. Such calculations are numerically intractable for A-body observables with A >> 10. One must design an additional expansion and truncation for many-body observables. In this thesis, non-perturbative approximations on the basis self-consistent Green’s function (SCGF) and on many-body perturbation theory (MBPT) are considered together with a pionless EFT. The goal of the present thesis is to investigate, in such framework, the renormalization invariance of many-body observables computed in A-body sectors with A >> 10. Hopefully the lessons learnt can be extended to ₓEFT. Analysis of numerical calculations realized with a state-of-the-art SCGF code reveals a critical numerical approximation leading to renormalization dependent observables. A necessary fix is proposed and must be implemented before any calculations based on SCGF and EFT in the future. This emphasizes the criticality of numerical approximations for any calculation within a pionless EFT. At the same time, renormalization invariance of observables computed within MBPT is studied formally, opening the path to formulate the renormalization of a wide range of many-body truncation schemes in the future., À l’heure actuelle, l’interaction entre nucléons est décrite par une théorie effective des champs chiraux. Dans ce cadre théorique, les contributions aux observables nucléaires sont organisées en suite d’importance décroissante. En particulier, le calcul de la contribution principale nécessite de résoudre exactement l’équation de Schrödinger pour un certain Hamiltonien. Une description alternative de l’interaction nucléaire, dite théorie effective des champs sans pion, considère uniquement des nucléons comme degrés de liberté et mène à la même nécessité d’une résolution exacte de l’équation de Schrödinger. En pratique, de tels calculs sont irréalistes, même numériquement, pour des observables à N corps dès que N >> 10. Par conséquent, des approximations supplémentaires doivent être développées. Dans cette thèse, des approximations non-perturbatives basées sur des fonctions de Green auto-cohérentes (SCGF) ainsi que des approximations basées sur des théories des perturbations à N corps (MBPT) sont considérées dans le cadre de la théorie effective des champs sans pion. Le but de cette thèse est d’étudier l’invariance par le groupe de renormalisation d’observables à N corps calculées avec ces approximations supplémentaires. L’espoir étant de pouvoir ensuite étendre les conclusions tirées au cas de la théorie effective des champs chiraux. Dans le cas des approximations SCGF, l’analyse des résultats numériques produits avec un code à l’état de l’art révèle une instabilité critique amenant à des observables dépendant de la renormalisation. Un correctif est proposé et devra être implémenté avant tout futur calcul SCGF au sein de la théorie effective des champs sans pion. Cette étude révèle l’importance critique des approximations numériques sur l’invariance par le groupe de renormalisation des observables. Dans le cas des approximations perturbatives basées sur MBPT, une étude formelle ouvre la voie pour dériver, de manière systématique, une renormalisation adéquate pour un large ensemble d’approximation à N corps.

Results of our study of the theoretical modelling capacities focussing on the nuclear phenomenological mean-field approaches are presented. It is expected that a realistic theory should be capable of predicting satisfactorily the results of the experiments to come, i.e., having what is called a good predictive power. To study the predictive power of a theoretical model, we had to take into account not only the errors of the experimental data but also the uncertainties originating from approximations of the theoretical formalism and the existence of parametric correlations. One of the central techniques in the parameter adjustment is the solution of what is called the Inverse Problem. Parametric correlations usually induce ill-posedness of the inverse problem; they need to be studied and the model regularised. We have tested two types of realistic phenomenological Hamiltonians showing how to eliminate the parametric correlations theoretically and in practice. We calculate the level confidence intervals, the uncertainty distributions of model predictions and have shown how to improve theory’s prediction capacities and stability., Les résultats de notre étude des capacités de modélisation théorique axées sur les approches phénoménologiques nucléaires dans le cadre de la théorie du champ-moyen sont présentés. On s’attend à ce qu’une théorie réaliste soit capable de prédire de manière satisfaisante les résultats des expériences à venir, c’est-à-dire avoir ce qu’on appelle un bon pouvoir prédictif. Pour étudier le pouvoir prédictif d’un modèle théorique, nous avons dû tenir compte non seulement des erreurs des données expérimentales, mais aussi des incertitudes issues des approximations du formalisme théorique et de l’existence de corrélations paramétriques. L’une des techniques centrales dans l’ajustement des paramètres est la solution de ce qu’on appelle le Problème Inverse. Les corrélations paramétriques induisent généralement un problème inverse mal-posé; elles doivent être étudiées et le modèle doit être régularisé. Nous avons testé deux types de hamiltoniens phénoménologiques réalistes montrant comment éliminer théoriquement et en pratique les corrélations paramétriques.Nous calculons les intervalles de confiance de niveau, les distributions d’incertitude des prédictions des modèles et nous avons montré comment améliorer les capacités de prédiction et la stabilité de la théorie.

The nucleus may seem well known, but its microscopic description still isn't perfect. Describing accurately the nuclei along the nuclear chart remain complicated.Nowadays, the effective interactions are the best choice to achieve such a goal, and can be sorted in two categories: finite-range and zero-range. Skyrme interaction, the main subject of this report, belongs to the latter. Used since the 50s because of its simplicity, it is an expansion of gradients up to the 2th order. However, an international collaboration, UNEDF, showed recently that this interaction was too limited to describe all the nuclear constraints given by experimental datas. The conclusion was the necessity of Skyrme interaction extensions.This thesis is describing the process from the design of the interaction to its use in nuclei and in fitting procedures.First, we review the requirements and the construction of a general nuclear interactions, and the main interactions used in nuclear structure, both finite and zero range.We then show the behaviour of these interactions in a perfect model: the infinite nuclear matter. This is considered a preliminary test for every interaction aiming to describe nuclei, and the performances of our interactions are discussed, along the performances of the other models.The last part of the thesis is the adaptation of our extension for calculations of nuclei. Furthermore, the fitting procedure of our extended Skyrme interaction on both infinite nuclear matter and nuclei quantities is detailed. A resulting parametrisation is presented at the end of the thesis, aiming to describe more accurately the nuclear chart and the additional physic provided by the new terms, Si le noyau atomique peut sembler aujourd'hui un système bien connu, sa description microscopique théorique comporte toujours des lacunes : décrire la structure nucléaire des noyaux tout le long de la charte des noyaux de manière satisfaisante par une seule interaction s'avère encore compliqué aujourd'hui.Les interactions les plus performantes et les plus utilisées pour atteindre ce but sont les interactions effectives. On peut généralement classer celles-ci en deux catégories: celles de portée finie et celles de portée nulle. L'interaction de Skyrme, dont il est principalement question dans ce manuscrit, appartient à la deuxième catégorie. Apparue dans les années 50 comme un développement en gradients à l'ordre 2, sa simplicité en a longtemps fait une interaction de choix. Une collaboration internationale, UNEDF, a toutefois montré que l'interaction en l'état était trop limitée pour reproduire correctement les données expérimentales actuelles et qu'il était nécessaire d'y trouver des extensions. Ce manuscrit propose une telle extension, décrivant le processus aboutissant à l'utilisation d'un développement en gradients jusqu'à l'ordre 6.Après avoir présenté les principales forces effectives utilisées dans le cadre de la structure nucléaire, nous montrerons le comportement de cette nouvelle interaction dans le modèle idéal de la matière infinie et son application dans la description des étoiles à neutrons. Nous verrons ainsi que les performances de notre interaction se sont avérées prometteuses. La comparaison des mêmes propriétés pour des potentiels de portée finie a validé ce constat. Notre extension à l'interaction de Skyrme offre à minima des performances comparables dans ce modèle.En conséquence, nous détaillerons également dans la suite du manuscrit la manière dont nous avons poursuivi le développement de notre nouvelle interaction en l'adaptant pour la description de noyaux sphériques. La dernière partie présente le processus d'ajustement de notre interaction, visant à une description des noyaux le long de la charte nucléaire. Une paramétrisation issue d'un tel ajustement sera enfin proposée

Recent experiments have evidenced the existence of new shell gaps at N=14 and 16 in the neutron-rich oxygen isotopes, associated with the vanishing of the N=20 shell gap. The aim of this work is to investigate the possible appearance of these new magic numbers in the neutron-rich carbon isotopes by locating the 0d5/2, 1s1/2 and 0d3/2 neutron orbitals in 17C with the 16C(d,p)17C transfer reaction.The experiment was carried out at the GANIL facility. A 16C beam at 17.2 AMeV produced by fragmentation was used to bombard a CD2 target. The light ejectiles were detected using the TIARA silicon strip array while a Si-Si-CsI telescope was placed at 0 degree to identify beam-like residues. In addition, four HPGe EXOGAM clover detectors were used to measure the gamma-rays emitted by 17C bound excited states.The measured angular distributions confirm the spin and parity assignments of 3/2+, 1/2+ and 5/2+ for the ground state and the first and second excited states located at 217 keV and 335 keV, respectively. The spectroscopic factors deduced for these excited states indicate a large single particle strength, in agreement with shell model calculations. On the other hand, the spectroscopic factor of the ground state reveals an important 0d3/2 component, largely underestimated by the shell model. With a strong ℓ=0 valence neutron configuration and a low separation energy, the first excited state of 17C appears as a very good one-neutron halo candidate.; La disparition du nombre magique N=20 et l'apparition des nouveaux nombres magiques N=14 et 16 ont été observées dans les isotopes d'oxygène riches en neutrons. L'objectif de ce travail est d'étudier la présence éventuelle de ces nouveaux nombres magiques dans les isotopes de carbone riches en neutrons en localisant les orbitales de neutron 0d5/2, 1s1/2 et 0d3/2 dans le 17C à l'aide de la réaction de transfert 16C(d,p)17C.Dans notre expérience réalisée au GANIL, les états du 17C ont été peuplés par la réaction de transfert 16C(d,p)17C induite par un faisceau de 16C d'énergie 17,2 AMeV incident sur une cible de CD2. Le détecteur à pistes silicium TIARA a été utilisé pour détecter les particules légères, tandis qu'un télescope Si-Si-CsI a été placé à 0 degré pour identifier les fragments lourds. Quatre détecteurs HPGe EXOGAM ont été utilisés pour détecter les photons γ émis par les états excités liés du 17C.Les distributions angulaires confirment les spins et parités 3/2+, 1/2+ et 5/2+ pour l'état fondamental et les premier et deuxième états excités observés à des énergies d'excitation de 217 et 335 keV respectivement. Les facteurs spectroscopiques déduits pour ces états excités indiquent un caractère de particule indépendante marqué, en accord avec les calculs du modèle en couches. En revanche, le facteur spectroscopique de l'état fondamental révèle une composante 0d3/2 importante, nettement sous estimée par le modèle en couches. Du fait de sa faible énergie de séparation et de sa configuration ℓ=0 dominante, le premier état excité du 17C apparaît comme un très bon candidat d’état à halo d'un neutron.

Nuclear fission, where an atomic nucleus separates into two fragments while emitting a large amount of energy, is at the core of many applications in society (energy production) and national security (deterrence, non-proliferation). It is also a key ingredient of the mechanisms of formation of elements in the universe. Yet, nearly 80 years after its experimental discovery its theoretical description in terms of the basic constituents of the nucleus (protons and neutrons) and their interaction remains a challenge. In this thesis, we describe the fission process as follows. In a first step, we use large supercomputers to compute the deformation properties of the nucleus based on our knowledge of nuclear forces. In a second step, we simulate the time evolution of the system from its ground state up to the fragments separation with a fully quantum-mechanical approach called the time-dependent generator coordinate method (TDGCM). While results are in good qualitative agreement with experimental data, the implementation of the TDGCM so far had been greatly simplified using what is known as the Gaussian overlap approximation (GOA). We also developed the formalism and a numerical implementation of the exact TDGCM - without the GOA. This will allow the first systematic validation of that approximation and an assessment of the resulting theoretical uncertainties. The second chapter presents the description of the neutron induced fission process using the TDGCM+GOA. The third one introduces the developments carried out in this thesis allowing the description of the fission process with the TDGCM without the GOA. The last chapter shows the first results obtained with this approach., La fission induite par neutron, découverte il y a plus de 70 ans, a de nombreuses applications, par exemple industrielles pour la production d'énergie, et intervient dans la nucléosynthèse. Cependant, sa description microscopique reste un problème ouvert. En effet, les degrés de liberté qui interviennent dans ce processus dynamique sont complexes. De plus, les noyaux fissiles ont un nombre élevé de nucléons en interaction (>200). Il s'agit donc d'un problème à N-corps quantique. Or, une résolution directe de ce dernier n'est pas possible à l'heure actuelle. Dans ce contexte, la description microscopique de la fission considérée ici est la suivante : la première étape consiste à déterminer un ensemble de configurations de champ moyen qui représentent différentes déformations du noyau, incluant ainsi explicitement les degrés de liberté collectifs qui leur sont associés. Dans la seconde étape, la dynamique est décrite dans cet espace de configurations en utilisant la méthode de la coordonnée génératrice dépendante du temps (TDGCM). L'approximation des recouvrements gaussiens (GOA) est alors utilisée. Cependant, elle introduit une erreur de modèle et limite les extensions comme par exemple la prise en compte explicite de degrés de liberté intrinsèques. Ce travail de thèse a pour objectif de décrire le processus de fission avec la TDGCM sans recourir à la GOA. Cela implique de résoudre l'équation de la dynamique en TDGCM appelée équation de Hill-Wheeler dépendante du temps (TD-HW). Les méthodes d'évaluations des matrices des recouvrements et du hamiltonien collectif sont présentées dans le cas d'une interaction de Gogny. La matrice des recouvrements représente la métrique de l'espace des configurations, et la matrice du hamiltonien collectif contient les couplages énergétiques entre les configurations. Les configurations sont exprimées dans des bases de particules deux à deux distinctes, introduisant des instabilités numériques dans les méthodes d'évaluation standard. Un formalisme adapté à ces bases est proposé permettant d'éliminer ces instabilités. Deux méthodes de résolution de TD-HW sont présentées. La première consiste à calculer l'opérateur d'évolution associé à l'équation de Hill-Wheeler dépendante du temps. Elle est adaptée à un faible nombre de configurations. La seconde utilise un schéma de discrétisation en temps permettant l'inclusion d'un plus grand nombre de configurations dans le modèle. Ce formalisme est ensuite appliqué à la description de la réaction de fission induite par neutron sur le plutonium 239, et une comparaison avec la TDGCM+GOA est effectuée.

Nuclear fission, where an atomic nucleus separates into two fragments while emitting a large amount of energy, is at the core of many applications in society (energy production) and national security (deterrence, non-proliferation). It is also a key ingredient of the mechanisms of formation of elements in the universe. Yet, nearly 80 years after its experimental discovery its theoretical description in terms of the basic constituents of the nucleus (protons and neutrons) and their interaction remains a challenge. In this thesis, we describe the fission process as follows. In a first step, we use large supercomputers to compute the deformation properties of the nucleus based on our knowledge of nuclear forces. In a second step, we simulate the time evolution of the system from its ground state up to the fragments separation with a fully quantum-mechanical approach called the time-dependent generator coordinate method (TDGCM). While results are in good qualitative agreement with experimental data, the implementation of the TDGCM so far had been greatly simplified using what is known as the Gaussian overlap approximation (GOA). We also developed the formalism and a numerical implementation of the exact TDGCM - without the GOA. This will allow the first systematic validation of that approximation and an assessment of the resulting theoretical uncertainties. The second chapter presents the description of the neutron induced fission process using the TDGCM+GOA. The third one introduces the developments carried out in this thesis allowing the description of the fission process with the TDGCM without the GOA. The last chapter shows the first results obtained with this approach., La fission induite par neutron, découverte il y a plus de 70 ans, a de nombreuses applications, par exemple industrielles pour la production d'énergie, et intervient dans la nucléosynthèse. Cependant, sa description microscopique reste un problème ouvert. En effet, les degrés de liberté qui interviennent dans ce processus dynamique sont complexes. De plus, les noyaux fissiles ont un nombre élevé de nucléons en interaction (>200). Il s'agit donc d'un problème à N-corps quantique. Or, une résolution directe de ce dernier n'est pas possible à l'heure actuelle. Dans ce contexte, la description microscopique de la fission considérée ici est la suivante : la première étape consiste à déterminer un ensemble de configurations de champ moyen qui représentent différentes déformations du noyau, incluant ainsi explicitement les degrés de liberté collectifs qui leur sont associés. Dans la seconde étape, la dynamique est décrite dans cet espace de configurations en utilisant la méthode de la coordonnée génératrice dépendante du temps (TDGCM). L'approximation des recouvrements gaussiens (GOA) est alors utilisée. Cependant, elle introduit une erreur de modèle et limite les extensions comme par exemple la prise en compte explicite de degrés de liberté intrinsèques. Ce travail de thèse a pour objectif de décrire le processus de fission avec la TDGCM sans recourir à la GOA. Cela implique de résoudre l'équation de la dynamique en TDGCM appelée équation de Hill-Wheeler dépendante du temps (TD-HW). Les méthodes d'évaluations des matrices des recouvrements et du hamiltonien collectif sont présentées dans le cas d'une interaction de Gogny. La matrice des recouvrements représente la métrique de l'espace des configurations, et la matrice du hamiltonien collectif contient les couplages énergétiques entre les configurations. Les configurations sont exprimées dans des bases de particules deux à deux distinctes, introduisant des instabilités numériques dans les méthodes d'évaluation standard. Un formalisme adapté à ces bases est proposé permettant d'éliminer ces instabilités. Deux méthodes de résolution de TD-HW sont présentées. La première consiste à calculer l'opérateur d'évolution associé à l'équation de Hill-Wheeler dépendante du temps. Elle est adaptée à un faible nombre de configurations. La seconde utilise un schéma de discrétisation en temps permettant l'inclusion d'un plus grand nombre de configurations dans le modèle. Ce formalisme est ensuite appliqué à la description de la réaction de fission induite par neutron sur le plutonium 239, et une comparaison avec la TDGCM+GOA est effectuée.

Moving towards drip lines, or higher in excitation energy, the continuum coupling becomesgradually more important, changing the nature of weakly bound states. In this regime, atomicnuclei are open quantum systems which can be conveniently described using the Gamow shellmodel (GSM) which offers a fully symmetric treatment of bound, resonance and scattering states.The understanding of specific nuclear properties is often improved by considering exactly solvablemodels, motivated by a symmetry of the many-body system. In the first part , we havegeneralized the rational Gaudin pairing model to include the continuous part of the single-particlespectrum, and then derived a reliable algebraic solution which generalizes the exact Richardsonsolution for bound states. These generalized Richardson solutions have been applied for the descriptionof binding energies and spectra in the long chain of carbon isotopes.In the second part, we have formulated the reaction theory rooted in GSM. For that theGSM is expressed in the basis of reaction channels and generalized for multi-nucleon projectiles.This reaction theory respects the antisymmetrization of target and projectile wave functions, aswell as the wave function of the combined system. The application of this theory have beenpresented for the reaction 14O(p,p’)14O, where the combined system 15F is a proton emitter, andfor 40Ca(d,d)40Ca.; Au voisinage de la limite de stabilité, ou à haute énergie d’excitation, l’influence du continuumdevient de plus en plus importante, modifiant ainsi la structure des états faiblement liés. Danscette région, les noyaux sont des systèmes quantiques ouverts qui peuvent être décrits correctementavec le Gamow Shell Model (GSM) offrant une description unifiée des états liés, des résonances etdes états de diffusion.La compréhension de propriétés nucléaires induites par certaines symétries du système àplusieurs corps, peut être approfondie en considérant des modèles exactement solubles. Dansla première partie, nous avons généralisé l’Hamiltonien d’appariement basé sur le modèle rationelde Gaudin aux états du continuum, et dérivé la solution algébrique qui généralise la solution exactede Richardson initialement introduite pour les systèmes liés. Ces équations de Richardsongénéralisées ont ensuite été appliquées à l’étude des spectres et des énergies de liaison dans unechaîne d’isotopes de carbone.Dans la deuxième partie, nous avons formulé une théorie des réactions basée sur le GSM. Dansce but, le GSM est formulé dans une base de canaux de réaction pour les projectiles à plusieursnucléons. Cette théorie des réactions prend en compte l’antisymétrisation des fonctions d’onde decible et de projectile, ainsi que la fonction d’onde du système composé. Les applications de cettethéorie sont présentées pour la réaction 14O(p,p’)14O, où le système composé 15F est un émetteurde proton, et pour la réaction 40Ca(d,d)40Ca.

This thesis presents three aspects centered around the QRPA (Quasiparticle Random Phase Approximation).The first consists in the use of an axial code to confront computed data with experimental results andto feed a microscopic reaction code. This step is a chance to analyse low-energy spectroscopy (fewtens of MeV) of some nuclei, and more precisely (but not exclusively) the tin isotopic chain (Z=50).The second one relies on the improvement of the formalism to calculate multipolar electromagnetictransition operators, and a method to consolidate the computation of these operators, allowing toease the programming by unifying the code for different multipolarities. Finally, in order to overcomethe axial symmetry constraint, a new triaxial code has been developed. Its assets and developmentare presented, followed by the first batch of results., Cette thèse présente trois aspects centrés autour de la QRPA (Quasiparticle Random Phase Approximation).Le premier consiste en l'utilisation d'un code à symétrie axiale pour confronter des données calculéesà des résultats expérimentaux, et pour alimenter un code microscopique de réactions. Cette étapeest l'occasion d'analyser la spectroscopie du noyau à basse énergie (quelques dizaines de MeV), etplus spécifiquement (mais pas uniquement) la chaîne isotopique de l'étain (Z=50). Le second facetterepose sur l'amélioration d'un formalisme de calcul des opérateurs de transitions éléctromagnétiquesmultipolaires, et d'une méthode de généralisation du calcul de ces opérateurs permettant de faciliterla programmation en uniformisant le code pour les différentes multipolarités. Finalement, afin dedépasser la contrainte de la symétrie axiale, un nouveau code de calcul en symétrie triaxiale a étédéveloppé. Ses caractéristiques et son développement sont présentés, suivis des premiers résultatsdus à son exploitation.

The subject of this thesis is the study of the transfermium nuclei region. These are nuclei having an atomic number larger than 100, which are interesting for several reasons. First of all, this region is still poorly known. Indeed, nuclei are more and more difficult to produce as soon as the number of nucleons they are made of increases. When studies move towards the heaviest elements, it becomes difficult to produce more than a few atoms, the reactions production sometimes being simply impossible. That is why these nuclei as still restricted to very thorough studies. Furthermore, nuclear models predict an island of stability for super-heavy elements with Z~114–126, N~184, which are however experimentally still out of reach. Conversely, studies in the transfermium region can provide information of this island of stability. The thesis is mainly related to the nuclear structure of two proton-odd mendelevium (Z=101) isotopes: ²⁴⁹Md and ²⁵¹Md. These isotopes are deformed, which provides access to quantum states also involved in heaviest spherical nuclei from the predicted island of stability. Nuclei were produced at the University of Jyväskylä with fusion-evaporation reactions using a ⁴⁸Ca beam on ²⁰³⁻²⁰⁵Tl targets. Mendelevium nuclei were selected from the large background of parasitic reactions using the RITU gas-filled separator and the genetic correlations technique. The nuclear structure is deduced from the gamma and electron spectroscopy. The SAGE and Jurogam II arrays have been used. These devices provide new insight into nuclei structure: we focussed on the collective structure revealed through rotational bands, on metastable states (isomers) or on single-particle transitions. In this work, two ²⁵¹Md rotational band could be highlighted. We have been able to perform for the first time the electron spectroscopy of this nucleus, which provides a constrain for the nuclear orbitals assignment. The 1/2⁻ and 7/2⁻ band-heads were assigned. We furthermore observed for the first time a ²⁵¹Md isomer with several feeding and de-exciting transitions. In this work, we could also sketch the collective structure of ²⁴⁹Md and measure some of its ground-state properties. Finally, the cross section for the ²⁴³Es production (⁴⁸Ca + ¹⁹⁷Au) was measured in order to estimate the feasibility of a future spectroscopy. Spectroscopic data are compared to new mean-field calculations. Hartee-Fock Bogoliubov calculations using the Skyrme and Gogny forces were made. This thesis is part of the ongoing research program on heavy nuclei; it provides new spectroscopic data in a region where much remains to be discovered.; Le sujet de cette thèse concerne la région des transfermiums. Il s'agit des noyaux de numéro atomique supérieur à 100 qui sont intéressants pour de nombreuses raisons. Tout d'abord, cette région est encore peu connue. En effet, les noyaux deviennent de plus en plus difficiles à produire lorsque qu'ils deviennent riches en nucléons. A fur et à mesure que l’étude progresse vers les noyaux les plus lourds, il devient difficile de les produire à plus de quelques unités, voire simplement de trouver des réactions permettant de les synthétiser. C'est pourquoi ces noyaux sont, aujourd'hui, cantonnés à des recherches très minutieuses. En outre, les modèles nucléaires prédisent l’existence d’un îlot de stabilité, encore inaccessible expérimentalement, pour les noyaux super-lourds vers Z~114–126, N~184. A contrario, les études dans la région des transfermiums nous apportent des informations sur cet îlot de stabilité. Cette thèse traite principalement de la structure nucléaire de deux isotopes impairs en proton de mendélévium (Z=101) : le ²⁴⁹Md et le ²⁵¹Md. Ces deux isotopes sont déformés, ce qui nous permet d’avoir accès à des états quantiques communs avec des noyaux sphériques beaucoup plus lourds pouvant appartenir à l’îlot de stabilité. Les noyaux ont été créés à l'université de Jyväskylä en Finlande par réaction de fusion-évaporation à l'aide d'un faisceau de ⁴⁸Ca et de cibles de ²⁰³⁻²⁰⁵Tl. Les noyaux sont extraits de l’important bruit de fond des réactions parasites à l'aide du séparateur à gaz RITU grâce à la technique de corrélations génétiques. Afin d'extraire la structure nucléaire de ces noyaux, les expériences exploitent les techniques de spectroscopie gamma et électron : détecteurs Jurogam II et SAGE. Grâce à ces instruments, une partie de la structure des noyaux peut être connue. Nous nous focalisons sur des structures collectives comme les bandes rotationnelles, mais aussi d'états métastables (les isomères), ou encore les transitions à une particule. Ce travail a permis d’extraire deux bandes rotationnelles du ²⁵¹Md. Nous avons pu pour la première fois réaliser la spectroscopie électron de ce noyau ce qui nous a permis de contraindre l’assignement des orbitales nucléaires : il s’agit des têtes de bande 1/2⁻ et 7/2⁻. Nous avons également découvert un isomère du ²⁵¹Md et pu observer des transitions l’alimentant et le désexcitant. Ce travail a également permis d’ébaucher une structure collective de ²⁴⁹Md ainsi que de mesurer des propriétés de l’état fondamental. Finalement une estimation de la section efficace de production de ²⁴³Es (⁴⁸Ca + ¹⁹⁷Au) a aussi été faite afin d’évaluer la possibilité d'une future expérience. L’ensemble des données spectroscopiques est confronté à de nouveaux calculs de champs moyen de type Hartree-Fock-Bogoliubov utilisant les forces de Skyrme et Gogny. Cette thèse prolonge les recherches sur la région des noyaux lourds et vient compléter les données spectroscopiques de cette région encore largement inconnue.

One of the major challenges of modern nuclear physics is to understand the nuclear structure of the heaviest elements. Fission barriers calculated within the macroscopic liquid drop model fail to explain the stability of nuclei with a number of protons Z≥90. Transfermium elements (Z≥100) have a vanishing liquid-drop barrier and are solely stabilized by quantum shell effects. They provide a unique laboratory to study the evolution of nuclear structure under the extreme conditions of large mass and strong Coulomb force. Though many theories agree on the existence of an “Island of Stability”, the predictions on its exact location in terms of number of protons and neutrons vary greatly. Hence the systematic study of transfermium nuclei is essential to constrain theoretical models and to get a better understanding of the evolution of nuclear shells.The interplay between single-particle and collective degrees of freedom in 251Fm was investigated by means combined internal conversion electron (ICE) and γ-ray spectroscopy. Excited states in 251Fm were populated via the α-decay of 255No produced in the two following fusion-evaporation reactions: 208Pb(48Ca, 1n)255No and 209Bi(48Ca, 2n)255Lr. The experiments were performed at the FLNR, JINR, Dubna. The intense beams were delivered by the U-400 cyclotron and the separators VASSILISSA or SHELS were used to select fusion evaporation residues. At their focal planes the GABRIELA spectrometer was used to perform a time and position correlated measurement of the characteristic decay properties to further isolate the nuclei of interest. ICE spectroscopy of 251Fm was performed for the first time. These measurements allowed to establish the multipolarities of several transitions in 251Fm and to quantify the M2/E3 mixing ratio in the decay of the low-lying 5/2+ isomer. The extracted B(E3) value is compared to those found in other members of the N=151 isotonic chain and to the QRPA calculations using the Gogny effective interaction.During this work, a novel graphical method of extracting mixing ratios for nuclear transitions has been developed. This intuitive and illustrative method and it’s limits of applicability, as well as certain aspects of the calculation of mixing ratios beyond these limits, are described and discussed.Double-sided silicon strip detectors (DSSD) are widely used in nuclear spectrometry, in particular at the focal plane of separators to detect the implantation and subsequent decay of the heaviest nuclei. It was found that the presence of mechanically disconnected strips on one face of the DSSD may lead to the occurrence of lower energy peaks on the opposite face due to the change of the total capacitance. This effect, along with the methods of restoring the correct spectra, has been studied and discussed. The use of GEANT4 simulations for resolving α-ICE summing in the DSSD and for constraining the internal conversion coefficients of the transitions involved in the decay of the nucleus of interest is presented with the example of 221Th.A significant part of the thesis work was dedicated to the R&D for a new digital electronics system for the GABRIELA spectrometer and to the comparative tests of several digital acquisition cards. The results of these tests, as well as the digital signal processing algorithms implemented for an unbiased off-line analysis are presented.; L'un des principaux défis de la physique nucléaire moderne est de comprendre la structure nucléaire des éléments les plus lourds. Les barrières de fission calculées dans le modèle de la goutte liquide macroscopique ne parviennent pas à expliquer la stabilité des noyaux avec un nombre de protons Z≥90. Cette barrière disparaît pour les éléments transfermium (Z≥100) qui ne sont donc stabilisés que par des effets quantiques de couche. Les noyaux lourds sont un laboratoire unique pour étudier l'évolution de la structure nucléaire dans des conditions extrêmes de masse et de champ Coulombien. Bien que de nombreuses théories s’accordent sur l'existence d’un « îlot de stabilité », les prédictions sur son emplacement exact en terme de nombre de protons et neutrons varient grandement. Les études expérimentales des noyaux transfermium s’avèrent donc essentielles pour contraindre les modèles théoriques et mieux comprendre l’évolution des couches nucléaires.L'interaction entre le mouvement des particules individuelles et les degrés de liberté collectifs du noyau a été investiguée dans le 251Fm par le biais de la spectroscopie combinée délectrons de conversion interne et de photons γ. Les états excités du 251Fm ont été peuplés dans la décroissance α du 255No, produit dans les 2 réactions suivantes: 208Pb(48Ca, 1n)255No et 209Bi(48Ca, 2n)255Lr. Les expériences ont été réalisées au JINR, FLNR, Dubna. Les faisceaux intenses ont été délivrés par le cyclotron U-400, et les séparateurs VASSILISSA ou SHELS ont été utilisés pour sélectionner les résidus de fusion-évaporation. Le spectromètre GABRIELA a été utilisé pour effectuer des mesures des propriétés de décroissance caractéristique corrélées en temps et en position pour isoler les noyaux d'intérêt. La spectroscopie d'électrons de conversion interne du 251Fm a été réalisée pour la première fois. Ces mesures ont permis d'établir les multipolarités de plusieurs transitions et de quantifier le rapport de mélange M2/E3 dans la désintégration de l'isomère 5/2+. Le B (E3) valeur extraite est comparée à celles des autres membres de la chaîne isotonique N=151 et les calculs QRPA utilisant l'interaction effective de Gogny.Au cours de ce travail, une nouvelle méthode graphique d’extraction des rapports de mélange de transitions nucléaires a été développé. Cette méthode intuitive et illustrative et ses limites d'application, ainsi que certains aspects du calcul des rapports de mélange au-delà de ces limites, sont décrites et discutées.Les détecteurs silicium double-face à strips (DSDS) sont largement utilisés en spectrométrie nucléaire, en particulier au plan focal de séparateurs pour détecter l'implantation et la désintégration ultérieure des noyaux les plus lourds. Il a été constaté que la présence de strips mécaniquement déconnectés sur une face du DSDS peut conduire à l'apparition de pics d'énergie abaissée sur la face opposée en raison de la variation de la capacité totale. Cet effet, ainsi que les méthodes de correction du spectre, ont été étudiés et discutés. L'utilisation de simulations GEANT4 pour résoudre les effets de sommation α-ECI dans le DSDS et pour contraindre les coefficients de conversion interne des transitions impliquées dans la désexcitation du noyau d’intérêt est présentée à l’aide de l’exemple du 221Th.Une bonne partie des travaux ont été consacrés à la R&D pour un nouveau système électronique numérique pour le spectromètre GABRIELA et aux tests comparatifs de plusieurs cartes d'acquisition numériques. Les résultats de ces tests, ainsi que les algorithmes de traitement numérique du signal mis en œuvre pour une analyse non biaisée hors ligne sont présentés.

Nowadays, the atomic nucleus is used in a variety of common way. Nevertheless, this object is not fully understood yet. This is why nuclear physics research is still needed. Among the large number of nuclear physics topics, this work is interested in the study of shape changes in neutron rich Ru and Sr isotopes. The subject is figured out in the first chapter, dealing with theoretical concepts about nuclear physics. A second chapter describes the experiment permitting to produce the isotopes of interest. This gamma-ray spectroscopy experiment has been realized with a HPGe multidetector made from EXOGAM and completed by GASP and LOHENGRIN detectors. This experiment consists of the cold neutron, supplied by the reactor of the Institute Laue Langevin, induced fission of 241Pu. This experiment is a part of the EXILL measurement campaign. The second chapter also deals with the data pre-analysis of this experiment. After showing the effects of a multiplicity cut on event preselection, the obtained results concerning 108Ru to 115Ru and 92Sr to 96Sr isotopes are presented on the third chapter. Finally, the fourth chapter puts these results in a wider part of the neutron rich side of both series. These last ones are also placed in their mass region context.The region of interest is rich in shape change, whether with neutronic enrichment or with excitation energy. These changes are rather well described by certain models, but the latter still have difficulty to describe the limits. Their precise determinations by experiment is essential to constrain models; Actuellement, le noyau de l'atome sert dans diverses utilisations courantes. Pourtant, notre compréhension que de cet objet n'est pas complète. C'est pourquoi la recherche nucléaire est nécessaire. Parmi cet ensemble vaste, ce manuscrit s'intéresse à l'étude des changements de forme dans les isotopes riches en neutrons des séries Ru et Sr. Le sujet est d'abord cerné dans un chapitre de concepts théoriques de la physique nucléaire. Un second chapitre décrit l'expérience permettant de produire les isotopes d'intérêt. Cette expérience de spectroscopie gamma est réalisée avec un multidétecteur HPGe composé à partir d'EXOGAM et complété de cristaux GASP et LOHENGRIN. Cette expérience consiste en la fission du 241Pu induite par neutrons froids fournis par le réacteur de l'Institut Laue Langevin. Elle fait partie de la campagne EXILL. Le deuxième chapitre traite également de la pré-analyse des données. Après avoir montré les effets d'une pré-sélection des événements en multiplicité, les résultats obtenus concernant les isotopes 108Ru à 115Ru, et 92Sr à 96Sr sont abordés dans le troisième chapitre. Enfin, le quatrième chapitre replace ces résultats dans des ensembles plus larges des parties riches en neutrons des deux séries. Ces séries sont également replacées dans le contexte de leur région de masse.La région d'intérêt est riche en changement de forme, avec l'enrichissement neutronique ou avec l'excitation des noyaux. Ces changements sont plutôt bien décrits par certains modèles, mais ces derniers peinent encore à en décrire les limites. Leurs déterminations précises est essentielle pour contraindre les modèles

A nucleus is described as a set of independent neutrons and protons linked by a mean-field potential. However, in order to have a better description one needs to take in account some residual interactions such as pairing. Neutron-neutron and proton-proton pairings are well-studied but neutron-proton pairing is not well-known. np pairing can be isovector pairing such as nn and pp pairing or isoscalar which is yet unknown. Overbinding of N=Z nuclei could be a manifestation of np pairing.We have studied np pairing through transfer reactions. In this case, the cross-section of np pair transfer is expected to be enhanced in the presence of important np pairing. np pairing is expected to be important in N=Z nuclei with high J orbitals. Since the development of radioactive beam facilities, such beams are only available.The experiment was performed at GANIL with an efficient set-up so as to detect products from the (p,³He) transfer reaction. This reaction is affected by isovector and isoscalar np pairing. We used ⁵⁶Ni and ⁵²Fe beams so as to see the effect of the occupancy of 0f7/2 shell on the np pairing.First, we analysed the data from the ⁵⁶Ni(p,d)⁵⁵Ni reaction and we compared the results with the literature to validate analysis procedure.After analysing data from the ⁵⁶Ni(p,3He)⁵⁴Co reaction and extracting the population of the various states of ⁵⁴Co, we obtained information about the relative intensity between isoscalar and isovector np pairing in ⁵⁶Ni showing the predominance of isovector np pairing in this nucleus .Moreover, in the framework of developing a new charged particle detector, R&D on the discrimination of light nuclei using pulse shape analysis was performed and is presented.; Le noyau est généralement décrit comme un ensemble de protons et de neutrons liés dans un potentiel de champ moyen. Cependant afin d'obtenir une meilleure description, il convient de tenir compte des interactions locales dont principalement l'appariement. Les appariements neutron-neutron et proton-proton sont assez bien étudiés alors que ce n'est pas le cas de l'appariement neutron-proton. Celui-ci peut être soit isovectoriel similaire à l'appariement nn/pp, soit isoscalaire et donc dans ce cas vraiment méconnu. La surliaison des noyaux N=Z pourrait être une manifestation de l'appariement np.Nous avons effectué l'étude de l'appariement np par réactions de transfert de paires np. Dans ce cas il est attendu que la section efficace de transfert de paires np soit augmentée en présence d'un appariement np important. L'appariement np devrait être important dans les noyaux N=Z avec des orbitales de J élevé. Or, des faisceaux de ces noyaux ne sont accessibles que depuis le développement des installations de faisceaux radioactifs.Nous avons effectué notre expérience au GANIL (Caen) avec un montage permettant une détection des produits issus de la réaction de transfert (p, ³ He). Cette réaction met en jeu à la fois des paires np isovectorielles et isoscalaires. Nous avons utilisé des faisceaux de ⁵⁶ Ni et de ⁵²Fe permettant d'observer l'évolution de l'appariement np avec l'occupation de la couche 0f7/2.Tout d'abord, nous avons analysé les données issues de la réaction ⁵⁶Ni(p,d)⁵⁵Ni et extrait des résultats que nous avons comparé à ceux existants. Cette démarche a permis de valider la procédure d'analyse des données.Après analyse des données issues de la réaction ⁵⁶Ni(p,3He)⁵⁴Co, nous avons extrait les populations des états du ⁵⁴Co qui donnent des informations sur l'intensité relative des deux types d'appariement np pour le noyau ⁵⁶Ni et montrent que l'appariement np isovectoriel est dominant dans ce noyau.De plus, dans le cadre d'un développement d'un futur détecteur de particules chargées, un travail de R&D sur la discrimination des particules légères par la forme des signaux a été réalisé et est présenté.

An extension of the atomic mass surface in the region A ≈ 100 is performed via massmeasurements of the 100-102Sr and 100-102Rb isotopes with the ion-trap mass spectrometer ISOLTRAPat CERN-ISOLDE. The first direct mass measurements of 102Sr and 101;102Rb are reported here. Thesemeasurements confirm the continuation of the region of nuclear deformation with the increase of neutronnumber, at least as far as N = 65.In order to interpret the deformation in the strontium isotopic chain and to determine whether an onsetof deformation is present in heavier krypton isotopes, a comparison is made between experimentalvalues and theoretical calculations available in the literature. To complete this comparison, Hartree-Fock-Bogoliubov calculations for even and odd isotopes are also presented, illustrating the competitionof nuclear shapes in the region.The development of an electrospray ionization ion source is presented. This source can delivera large range of isobaric masses for calibration purposes. The early commissioning of the sourceis discussed, including the results from the first mass scans detected behind the quadrupole massspectrometer. A resolution of a few atomic mass units is reached., Une extension de la surface de masses atomiques dans la région A ≈ 100 est présentée par l’intermédiaire des mesures de masse des isotopes 100-102Sr et 100-102Rb. Les mesures ont été effectuées avec le spectromètre de masse ISOLTRAP constitué de différents pièges à ions. Les premières mesures directes des masses des 100-102Sr et du 100-102Rb sont rapportées ici. Ces mesures confirment la continuité de la région de déformation nucléaire avec l’augmentation du nombre de neutrons jusqu’à N = 65.De sorte à interpréter la déformation dans la chaine isotopique du strontium et à déterminer si une déformation peut apparaitre pour des isotopes de krypton plus lourds, une comparaison est faite entre les données expérimentales et des résultats de calculs théoriques disponibles dans la littérature. Pour compléter ces comparaisons, des calculs Hartree-Fock-Bogoliubov pour des isotopes pairs et impairs sont aussi présentés, illustrant la compétition entre formes nucléaires dans la région.Le développement d’une source d’ions à ionisation par électro nébuliseur est présenté. Cette source peut produire un large panel de masses isobariques destinées à la calibration. La première mise en service de la source est présentée, incluant les résultats des premiers balayages en masse détectés derrière le spectromètre de masse quadripolaire. Une résolution de quelques unités de masses atomiques a été atteinte.

Moving towards drip lines, or higher in excitation energy, the continuum coupling becomesgradually more important, changing the nature of weakly bound states. In this regime, atomicnuclei are open quantum systems which can be conveniently described using the Gamow shellmodel (GSM) which offers a fully symmetric treatment of bound, resonance and scattering states.The understanding of specific nuclear properties is often improved by considering exactly solvablemodels, motivated by a symmetry of the many-body system. In the first part , we havegeneralized the rational Gaudin pairing model to include the continuous part of the single-particlespectrum, and then derived a reliable algebraic solution which generalizes the exact Richardsonsolution for bound states. These generalized Richardson solutions have been applied for the descriptionof binding energies and spectra in the long chain of carbon isotopes.In the second part, we have formulated the reaction theory rooted in GSM. For that theGSM is expressed in the basis of reaction channels and generalized for multi-nucleon projectiles.This reaction theory respects the antisymmetrization of target and projectile wave functions, aswell as the wave function of the combined system. The application of this theory have beenpresented for the reaction 14O(p,p’)14O, where the combined system 15F is a proton emitter, andfor 40Ca(d,d)40Ca., Au voisinage de la limite de stabilité, ou à haute énergie d’excitation, l’influence du continuumdevient de plus en plus importante, modifiant ainsi la structure des états faiblement liés. Danscette région, les noyaux sont des systèmes quantiques ouverts qui peuvent être décrits correctementavec le Gamow Shell Model (GSM) offrant une description unifiée des états liés, des résonances etdes états de diffusion.La compréhension de propriétés nucléaires induites par certaines symétries du système àplusieurs corps, peut être approfondie en considérant des modèles exactement solubles. Dansla première partie, nous avons généralisé l’Hamiltonien d’appariement basé sur le modèle rationelde Gaudin aux états du continuum, et dérivé la solution algébrique qui généralise la solution exactede Richardson initialement introduite pour les systèmes liés. Ces équations de Richardsongénéralisées ont ensuite été appliquées à l’étude des spectres et des énergies de liaison dans unechaîne d’isotopes de carbone.Dans la deuxième partie, nous avons formulé une théorie des réactions basée sur le GSM. Dansce but, le GSM est formulé dans une base de canaux de réaction pour les projectiles à plusieursnucléons. Cette théorie des réactions prend en compte l’antisymétrisation des fonctions d’onde decible et de projectile, ainsi que la fonction d’onde du système composé. Les applications de cettethéorie sont présentées pour la réaction 14O(p,p’)14O, où le système composé 15F est un émetteurde proton, et pour la réaction 40Ca(d,d)40Ca.

Nowadays, the atomic nucleus is used in a variety of common way. Nevertheless, this object is not fully understood yet. This is why nuclear physics research is still needed. Among the large number of nuclear physics topics, this work is interested in the study of shape changes in neutron rich Ru and Sr isotopes. The subject is figured out in the first chapter, dealing with theoretical concepts about nuclear physics. A second chapter describes the experiment permitting to produce the isotopes of interest. This gamma-ray spectroscopy experiment has been realized with a HPGe multidetector made from EXOGAM and completed by GASP and LOHENGRIN detectors. This experiment consists of the cold neutron, supplied by the reactor of the Institute Laue Langevin, induced fission of 241Pu. This experiment is a part of the EXILL measurement campaign. The second chapter also deals with the data pre-analysis of this experiment. After showing the effects of a multiplicity cut on event preselection, the obtained results concerning 108Ru to 115Ru and 92Sr to 96Sr isotopes are presented on the third chapter. Finally, the fourth chapter puts these results in a wider part of the neutron rich side of both series. These last ones are also placed in their mass region context.The region of interest is rich in shape change, whether with neutronic enrichment or with excitation energy. These changes are rather well described by certain models, but the latter still have difficulty to describe the limits. Their precise determinations by experiment is essential to constrain models, Actuellement, le noyau de l'atome sert dans diverses utilisations courantes. Pourtant, notre compréhension que de cet objet n'est pas complète. C'est pourquoi la recherche nucléaire est nécessaire. Parmi cet ensemble vaste, ce manuscrit s'intéresse à l'étude des changements de forme dans les isotopes riches en neutrons des séries Ru et Sr. Le sujet est d'abord cerné dans un chapitre de concepts théoriques de la physique nucléaire. Un second chapitre décrit l'expérience permettant de produire les isotopes d'intérêt. Cette expérience de spectroscopie gamma est réalisée avec un multidétecteur HPGe composé à partir d'EXOGAM et complété de cristaux GASP et LOHENGRIN. Cette expérience consiste en la fission du 241Pu induite par neutrons froids fournis par le réacteur de l'Institut Laue Langevin. Elle fait partie de la campagne EXILL. Le deuxième chapitre traite également de la pré-analyse des données. Après avoir montré les effets d'une pré-sélection des événements en multiplicité, les résultats obtenus concernant les isotopes 108Ru à 115Ru, et 92Sr à 96Sr sont abordés dans le troisième chapitre. Enfin, le quatrième chapitre replace ces résultats dans des ensembles plus larges des parties riches en neutrons des deux séries. Ces séries sont également replacées dans le contexte de leur région de masse.La région d'intérêt est riche en changement de forme, avec l'enrichissement neutronique ou avec l'excitation des noyaux. Ces changements sont plutôt bien décrits par certains modèles, mais ces derniers peinent encore à en décrire les limites. Leurs déterminations précises est essentielle pour contraindre les modèles

Recent experiments have evidenced the existence of new shell gaps at N=14 and 16 in the neutron-rich oxygen isotopes, associated with the vanishing of the N=20 shell gap. The aim of this work is to investigate the possible appearance of these new magic numbers in the neutron-rich carbon isotopes by locating the 0d5/2, 1s1/2 and 0d3/2 neutron orbitals in 17C with the 16C(d,p)17C transfer reaction.The experiment was carried out at the GANIL facility. A 16C beam at 17.2 AMeV produced by fragmentation was used to bombard a CD2 target. The light ejectiles were detected using the TIARA silicon strip array while a Si-Si-CsI telescope was placed at 0 degree to identify beam-like residues. In addition, four HPGe EXOGAM clover detectors were used to measure the gamma-rays emitted by 17C bound excited states.The measured angular distributions confirm the spin and parity assignments of 3/2+, 1/2+ and 5/2+ for the ground state and the first and second excited states located at 217 keV and 335 keV, respectively. The spectroscopic factors deduced for these excited states indicate a large single particle strength, in agreement with shell model calculations. On the other hand, the spectroscopic factor of the ground state reveals an important 0d3/2 component, largely underestimated by the shell model. With a strong ℓ=0 valence neutron configuration and a low separation energy, the first excited state of 17C appears as a very good one-neutron halo candidate., La disparition du nombre magique N=20 et l'apparition des nouveaux nombres magiques N=14 et 16 ont été observées dans les isotopes d'oxygène riches en neutrons. L'objectif de ce travail est d'étudier la présence éventuelle de ces nouveaux nombres magiques dans les isotopes de carbone riches en neutrons en localisant les orbitales de neutron 0d5/2, 1s1/2 et 0d3/2 dans le 17C à l'aide de la réaction de transfert 16C(d,p)17C.Dans notre expérience réalisée au GANIL, les états du 17C ont été peuplés par la réaction de transfert 16C(d,p)17C induite par un faisceau de 16C d'énergie 17,2 AMeV incident sur une cible de CD2. Le détecteur à pistes silicium TIARA a été utilisé pour détecter les particules légères, tandis qu'un télescope Si-Si-CsI a été placé à 0 degré pour identifier les fragments lourds. Quatre détecteurs HPGe EXOGAM ont été utilisés pour détecter les photons γ émis par les états excités liés du 17C.Les distributions angulaires confirment les spins et parités 3/2+, 1/2+ et 5/2+ pour l'état fondamental et les premier et deuxième états excités observés à des énergies d'excitation de 217 et 335 keV respectivement. Les facteurs spectroscopiques déduits pour ces états excités indiquent un caractère de particule indépendante marqué, en accord avec les calculs du modèle en couches. En revanche, le facteur spectroscopique de l'état fondamental révèle une composante 0d3/2 importante, nettement sous estimée par le modèle en couches. Du fait de sa faible énergie de séparation et de sa configuration ℓ=0 dominante, le premier état excité du 17C apparaît comme un très bon candidat d’état à halo d'un neutron.

The unbound nuclei 18B and 21C have been studied in an experiment undertaken at the RIBF-RIKEN using the recently commissioned SAMURAI spectrometer and NEBULA neutron array. The two systems were probed using single-neutron and single and two-proton knockout from secondary beams of 22C, 22N, et 23O respectively in the case of 21C and 19B, 19C and 20N for 18B. The invariant mass spectra were reconstructed from the momentum of the fragment (17B, 20C) and neutron. In order to interpret the results a complete simulation of the experimental setup was utilised. The analysis procedures as well as the calibrations were verified through a measurement of the well-known ground state of 16B. In the case of 18B three states were observed: an s-wave virtual state (as < -50 fm), an l=2 resonance at Er =0.77 +- 0.09 MeV and an l=0 resonance at Er = 1.6 +- 0.6 MeV. These results suggest that the low-lying level structure of 18B is governed by a competition between the neutron 2s1/2 and 1d5/2 configurations. In the case of 21C resonances were observed at Er = 0.8 +- 0.15 MeV (l = 0) and Er = 1.5 +-0.1 MeV (l=2), a result which confirms predictions of an inversion of the 5/2+ and 1/2+ levels. Finally an analysis of the momentum distributions for 18B and 21C produced in single-neutron knockout was carried out. The results indicate that the valence neutrons 19B and 22C are in mixed (2s1/2)2 and (1d5/2)2 configurations. ; Les noyaux non liés 18B et 21C sont étudiés suite à une expérience réalisée au RIBF-RIKEN en utilisant le nouveau spectromètre SAMURAI couplé au détecteur neutron NEBULA. Ces systèmes furent sondés grâce à des réactions de knock-out d'un neutron , d'un proton et de deux protons, à partir de faisceaux secondaires de 22C, 22N, et 23O pour le 21C et de 19B , 19C, et 20N pour le 18B. La masse invariante fut reconstruite à partir des moments du fragment chargé (17B, 20C) et du neutron. Afin de pouvoir interpréter les résultats, une simulation complète du dispositif expérimental fut utilisée. L'étalonnage des détecteurs et les techniques d’analyse furent testés en sondant l'état fondamental connu du 16B. Dans le cas du 18B trois états furent observés : un état s virtuel (as < -50 fm), résonance l=2 à Er =0.77 +- 0.09 MeV et une résonance l=0 à Er = 1.6 +- 0.6 MeV. Ces résultats plaident en faveur d'un mélange de configuration des niveaux neutron 2s1/2 et 1d5/2. En ce qui concerne le 21C, deux états résonnant respectivement situés à Er = 0.8 +- 0.15 MeV (l = 0) et Er = 1.5 +-0.1 MeV (l=2) furent observés. L'ordre confirme les résultats théoriques prédisant l'inversion des niveaux 5/2+ et 1/2+. Une analyse en impulsion reconstruite des systèmes 18B et 21C, produits par la réaction de knock-out d’un neutron a été réalisée. Les résultats soutiennent un mélange de configurations neutrons de valence (2s1/2)2 et (1d5/2)2 pour ces deux noyaux à halo.

Investigations on the nuclear structure in the region around N = 152 deformed shell gap provide anunderstanding of the existence of superheavy elements (Z > 104). Recent experimental studies havelead to the determination of the size and the strength of this gap. Its influence was studied for nucleilike $^{255}_{103}$Lr$_{152}$ and $^{256}_{104}$Rf$_{152}$. Valuable information can be obtained by studying further the evolution of theN = 152 deformed shell gap. To this purpose, the isotopes of $^{257}_{105}$Db and $^{258}_{105}$Db were produced and arethe subject of this work. Even though these two isotopes were previously studied, the currently availabledata are limited and the level schemes are still not fully determined.The $^{257}$Db was produced through the fusion-evaporation reaction $^{209}$Bi($^{50}$Ti,2n)$^{257}$Db at GANIL. Thetwo previously observed long lived states of $^{257}$Db were confirmed in this experiment, as well as the twoisomeric states of $^{253}$Lr. The $^{258}$Db was produced through the fusion-evaporation reaction $^{209}$Bi($^{50}$Ti,1n)$^{258}$Db at GSI. A strongindication of the existence of two states in $^{258}$Db with different half lives was observed. A new $\gamma$-ray transition of $^{250}$Md was identified and its placement in the partial level scheme is proposed. The $\alpha$ decayof $^{258}$Rf was also observed, suggesting a smaller branching ratio than previously reported.; L’étude de la structure des noyaux autour de la fermeture de couche déformée N = 152 offre des donnéescapitales pour la compréhension de l’existence des éléments super lourds (Z > 104). Des expériencesrécentes ont conduit à la détermination de l’amplitude et de la constance de cette fermeture de couche.Son influence sur des noyaux tels que le $^{255}$Lr et $^{256}$Rf a été étudiée. L’étude plus poussée sur l’évolutionde la fermeture de couche déformée N = 152 fournirait des informations précieuses quant à la formationdes noyaux super lourds. A cette fin, les isotopes de $^{257}$Db et $^{258}$Db ont été produits et font l’objet del’étude présentée dans ce manuscrit. Bien que ces deux noyaux aient déjà été étudiés précédemment, lesdonnées disponibles à l’heure actuelle sont limitées et ne permettent pas l’établissement d’un schéma deniveau complet. Le $^{257}$Db a été produit au GANIL par la réaction de fusion-évaporation $^{209}$Bi($^{50}$Ti,2n)$^{257}$Db. Les deuxétats de longue durée de vie observés précédemment ont pu être confirmés, ainsi que les deux étatsisomériques du $^{253}$Lr. Le $^{258}$Db a été produit à GSI par la réaction de fusion-évaporation $^{209}$Bi($^{50}$Ti,1n)$^{258}$Db. Une forteindication de l’existence de deux états dans le $^{258}$Db de durées de vie différentes a été observée. Unenouvelle transition $\gamma$ dans le $^{250}$Md a été identifiée et son placement dans le schéma de niveau partielproposé. La décroissance $\alpha$ du $^{258}$Rf a également été observée, suggérant un rapport de branchementplus faible que ce qui avait été mesurée auparavant.

The spin-orbit interaction is essential for the reproduction of magic numbers N=28 and 50 in theoretical nuclear models. Over the past few decades, the experimental study of exotic nuclei has highlighted an evolution of magic numbers far from stability. One can then wonder about the evolution of nuclear potentials themselves, and in particular the one of spin-orbit interaction. Historically, this interaction was included « by hand » in mean field models, whereas it naturally arises in relativistic mean field models. The description of the spin-orbit interaction happens to be very similar in those two kinds of models, but there remains a disagreement regarding its isospin dependance. Indeed, Hartree-Fock models exhibit a spin-orbit potential which strongly depends on isospin, contrary to relativistic mean field models.In 2009, a proton bubble was predicted in ³⁴Si by means of several different nuclear models. This effect consists in a central proton central density depletion. ³⁴Si would exhibit a quite exotic proton density, and very different from its neutron density. This nucleus would then constitute an ideal probe to test the behaviour of the spin-orbit potential in systems with strong proton-neutron asymmetry. The appearance of such an effect would originate from the depletion of proton 2s½ orbitals, as s orbitals are the only ones contributing to the central density.An experiment which was performed in September 2012 at NSCL (MSU, United States) highlighted for the first time a proton bubble in ³⁴Si. The spectroscopic strengths of states populated in the knockout reactions ³⁴Si(-1p)³³Al and ³⁴Si(-1n)³³Si reveal that the neutron structure of ³⁴Si is close to the one of a system without beyond-mean-field correlations, whereas its proton orbital is only weakly occupied : n(2s½) = 0,16(4).The reactions ³⁶S(-1p)³⁵P and ³⁶S(-1n)³⁵S were studied in similar experimental conditions. The change in occupancy n(2s½) measured between ³⁶S and ³⁴Si, as well as the variation in the neutron spin-orbit splitting 2p½-2p^3/2 measured in an earlier experiment, suggest that non-relativistic models exhibit the right isospin dependance. The theoretical part of this thesis showed however that the difference in behaviour of the spin-orbit interaction between relativistic and non-relativistic model is actually an artefact caused by the omission of the exchange term in relativistic mean field calculations. Indeed, including the Fock term in relativistic models enables to restore the isospin dependance observed in the non-relativistic case.; L’interaction spin-orbite a permis de reproduire dans les modèles nucléaires théoriques, les nombres magiques N=28 et 50 observés dans les noyaux atomiques. Ces dernières décennies, l’étude expérimentale de noyaux exotiques a mis en évidence une évolution des nombres magiques loin de la vallée de stabilité. On peut alors se poser la question de l’évolution des potentiels d’interaction eux-mêmes, et en particulier de l’interaction spin-orbite. Si cette interaction a été historiquement incluse « à la main » dans les modèles de champ moyen « classiques », elle émerge cependant naturellement dans les modèles relativistes. La description de l’interaction spin-orbite est très similaire dans ces deux types de modèles, mais il subsiste a priori un désaccord du point de vue de sa dépendance en isospin : les modèles non-relativistes de type Hartree-Fock présentent en effet un potentiel spin-orbite dépendant fortement de l’isospin, contrairement aux modèles de type Relativistic Mean Field.En 2009, des calculs mettant en œuvre différents modèles théoriques ont prédit l’existence d’une « bulle », caractérisée par une déplétion en densité protonique centrale, dans le ³⁴Si. Ce dernier aurait une densité protonique très exotique, et bien différente de sa densité neutronique. Le ³⁴Si constituerait alors une sonde idéale de l’évolution du potentiel spin-orbite dans les systèmes présentant une forte asymétrie protons-neutrons. L’émergence d’un tel effet trouverait son origine dans la déplétion de l’orbitale protonique2s½, les orbitales s étant les seules à contribuer à la densité nucléaire centrale.Une expérience réalisée en Septembre 2012 à NSCL (MSU, Etats-Unis), a permis de mettre en évidence pour la première fois un effet de bulle nucléaire dans le ³⁴Si. L’étude des facteurs spectroscopiques des états peuplés lors des réactions d’arrachage de proton ou de neutron ³⁴Si(-1p) ³³Al et ³⁴Si(-1n) ³³Si indique que sa structure neutronique est très proche d’un système sans corrélations au-delà du champ moyen, tandis que son orbitale protonique est très faiblement occupée : n(2s½) = 0,16(4).Les réactions ³⁶S(-1p) ³⁵P et ³⁶S(-1n) ³⁵S ont été étudiées dans les mêmes conditions expérimentales. L’évolution de l’occupation n(2s½) mesurée entre le ³⁶S et le ³⁴Si, ainsi que la variation de l’écart en énergie des partenaires spin-orbite neutroniques 2p½-2p^3/2, mesurée entre ces deux noyaux dans une expérience antérieure, sont en faveur des modèles de champ moyen non-relativistes. La partie théorique de cette thèse a cependant montré que la différence de comportement de l’interaction spin-orbite entre modèles relativistes et non-relativistes est en fait un artefact causé par l’omission du terme d’échange dans les calculs de type Relativistic Mean Field. En effet, l’inclusion du terme de Fock dans les modèles relativistes permet de rétablir la dépendance en isospin du potentiel spin-orbite observée dans le cas non-relativiste.

This PhD work was devoted to the study of exotic nuclear rotation and stable triaxiality at very high spin. In, nuclei with a few holes in the N = 82 shell closure, which exhibit a large variety of excitations at medium and high spins. The peculiar feature of these nuclei is the existence of coexisting shapes, spherical and triaxial, up to very high spins.During my PhD I analyzed an experiment performed with the Euroball multidetector at IPHC (Strasbourg) for the study of high-spin states in ¹⁴¹Nd populated using the ⁹⁶Zr (⁴⁸Ca, 3n) fusion-evaporation reaction. We have identified several high-spin bands and developed the level scheme up to an excitation energy and spin of 19 MeV and 81/2⁻ , respectively, which are much higher than previously published (9.4 MeV and 49⁄2 ℏ). Three new dipole bands and three new ΔI = 2 rotational bands have been identified. The main yrast sequence was extended up to spin 61/2⁻.A detailed interpretation of the observed bands was performed, for the first time, using theoretical calculations with Cranked Nilsson-Strutinsky (CNS) and the Tilted Axis Cranking (TAC) models. A consistent interpretation of most of the observed bands was realized. They appear to be based on nearly spherical for the main sequence, slightly deformed for the dipole bands and triaxially deformed minima for the ΔI = 2 bands. The observed level structure of ¹⁴¹Nd reveals the capability of the nuclei with a few holes in the N = 82 shell closure to acquire different shapes and to rotate around a principal or a tilted axis relative to the intrinsic reference system, as in the case of the ¹³⁸Nd and ¹⁴⁰Nd nuclei recently studied by our group., Ce travail de thèse a été consacré à l'étude des noyaux avec quelques trous dans la fermeture de couche N = 82, qui présente une très riche variété d'excitations à hauts spins. La particularité de ces noyaux est la présence de coexistence de forme (sphérique et/ou triaxiale) à des spins très élevés. Durant ma thèse, j’ai analysé une expérience effectuée avec le multidétecteur Euroball à l’IPHC (Strasbourg) pour l'étude des états de haut spin dans le noyau ¹⁴¹Nd, peuplé en utilisant la réaction de fusion-évaporation : ⁹⁶Zr (⁴⁸Ca, 3n). Nous avons identifié plusieurs bandes à spin élevé et développé le schéma de niveaux jusqu'à une énergie d'excitation et spin de l’ordre de 19 MeV et 81/2⁻ respectivement, qui sont bien plus élevés par rapport à celui publié précédemment (9.4 MeV et 49/2h). Trois nouvelles bandes dipôlaires et trois nouvelles bandes rotationnelles quadrupolaires ont été identifiées. La séquence principale yrast a aussi été étendue jusqu’au spin 61/2⁻.Nous avons réalisé des calculs théoriques détaillés des bandes observées, en intégrant, pour la première fois, les résultats qu’on a obtenus par les modèles Cranked Nilsson-Strutinsky (CNS) et Tilted Axis Cranking (TAC). Une interprétation cohérente de la plupart des bandes observées a été réalisée, qui semblent être basées sur des minimas d’énergies presque sphérique pour les séquences principales, légèrement déformée pour les bandes dipoalires et triaxiale déformée pour les bandes quadrupolaires. La structure de niveau observée dans le noyau ¹⁴¹Nd révèle la capacité des noyaux avec quelques trous dans la fermeture de couche N = 82 à acquérir des formes différentes de tourner autour d'un axe principal ou d'un axe incliné par rapport au système de référence intrinsèque, comme dans le cas des noyaux ¹³⁸Nd et ¹⁴⁰Nd récemment étudiés par notre groupe. Tous ces résultats représentent donc un fort soutien à l'existence de la forme nucléaire triaxiale stable à hauts spins dans cette région de masse.

Investigations on the nuclear structure in the region around N = 152 deformed shell gap provide anunderstanding of the existence of superheavy elements (Z > 104). Recent experimental studies havelead to the determination of the size and the strength of this gap. Its influence was studied for nucleilike $^{255}_{103}$Lr$_{152}$ and $^{256}_{104}$Rf$_{152}$. Valuable information can be obtained by studying further the evolution of theN = 152 deformed shell gap. To this purpose, the isotopes of $^{257}_{105}$Db and $^{258}_{105}$Db were produced and arethe subject of this work. Even though these two isotopes were previously studied, the currently availabledata are limited and the level schemes are still not fully determined.The $^{257}$Db was produced through the fusion-evaporation reaction $^{209}$Bi($^{50}$Ti,2n)$^{257}$Db at GANIL. Thetwo previously observed long lived states of $^{257}$Db were confirmed in this experiment, as well as the twoisomeric states of $^{253}$Lr. The $^{258}$Db was produced through the fusion-evaporation reaction $^{209}$Bi($^{50}$Ti,1n)$^{258}$Db at GSI. A strongindication of the existence of two states in $^{258}$Db with different half lives was observed. A new $\gamma$-ray transition of $^{250}$Md was identified and its placement in the partial level scheme is proposed. The $\alpha$ decayof $^{258}$Rf was also observed, suggesting a smaller branching ratio than previously reported., L’étude de la structure des noyaux autour de la fermeture de couche déformée N = 152 offre des donnéescapitales pour la compréhension de l’existence des éléments super lourds (Z > 104). Des expériencesrécentes ont conduit à la détermination de l’amplitude et de la constance de cette fermeture de couche.Son influence sur des noyaux tels que le $^{255}$Lr et $^{256}$Rf a été étudiée. L’étude plus poussée sur l’évolutionde la fermeture de couche déformée N = 152 fournirait des informations précieuses quant à la formationdes noyaux super lourds. A cette fin, les isotopes de $^{257}$Db et $^{258}$Db ont été produits et font l’objet del’étude présentée dans ce manuscrit. Bien que ces deux noyaux aient déjà été étudiés précédemment, lesdonnées disponibles à l’heure actuelle sont limitées et ne permettent pas l’établissement d’un schéma deniveau complet. Le $^{257}$Db a été produit au GANIL par la réaction de fusion-évaporation $^{209}$Bi($^{50}$Ti,2n)$^{257}$Db. Les deuxétats de longue durée de vie observés précédemment ont pu être confirmés, ainsi que les deux étatsisomériques du $^{253}$Lr. Le $^{258}$Db a été produit à GSI par la réaction de fusion-évaporation $^{209}$Bi($^{50}$Ti,1n)$^{258}$Db. Une forteindication de l’existence de deux états dans le $^{258}$Db de durées de vie différentes a été observée. Unenouvelle transition $\gamma$ dans le $^{250}$Md a été identifiée et son placement dans le schéma de niveau partielproposé. La décroissance $\alpha$ du $^{258}$Rf a également été observée, suggérant un rapport de branchementplus faible que ce qui avait été mesurée auparavant.

The spin-orbit interaction is essential for the reproduction of magic numbers N=28 and 50 in theoretical nuclear models. Over the past few decades, the experimental study of exotic nuclei has highlighted an evolution of magic numbers far from stability. One can then wonder about the evolution of nuclear potentials themselves, and in particular the one of spin-orbit interaction. Historically, this interaction was included « by hand » in mean field models, whereas it naturally arises in relativistic mean field models. The description of the spin-orbit interaction happens to be very similar in those two kinds of models, but there remains a disagreement regarding its isospin dependance. Indeed, Hartree-Fock models exhibit a spin-orbit potential which strongly depends on isospin, contrary to relativistic mean field models.In 2009, a proton bubble was predicted in ³⁴Si by means of several different nuclear models. This effect consists in a central proton central density depletion. ³⁴Si would exhibit a quite exotic proton density, and very different from its neutron density. This nucleus would then constitute an ideal probe to test the behaviour of the spin-orbit potential in systems with strong proton-neutron asymmetry. The appearance of such an effect would originate from the depletion of proton 2s½ orbitals, as s orbitals are the only ones contributing to the central density.An experiment which was performed in September 2012 at NSCL (MSU, United States) highlighted for the first time a proton bubble in ³⁴Si. The spectroscopic strengths of states populated in the knockout reactions ³⁴Si(-1p)³³Al and ³⁴Si(-1n)³³Si reveal that the neutron structure of ³⁴Si is close to the one of a system without beyond-mean-field correlations, whereas its proton orbital is only weakly occupied : n(2s½) = 0,16(4).The reactions ³⁶S(-1p)³⁵P and ³⁶S(-1n)³⁵S were studied in similar experimental conditions. The change in occupancy n(2s½) measured between ³⁶S and ³⁴Si, as well as the variation in the neutron spin-orbit splitting 2p½-2p^3/2 measured in an earlier experiment, suggest that non-relativistic models exhibit the right isospin dependance. The theoretical part of this thesis showed however that the difference in behaviour of the spin-orbit interaction between relativistic and non-relativistic model is actually an artefact caused by the omission of the exchange term in relativistic mean field calculations. Indeed, including the Fock term in relativistic models enables to restore the isospin dependance observed in the non-relativistic case., L’interaction spin-orbite a permis de reproduire dans les modèles nucléaires théoriques, les nombres magiques N=28 et 50 observés dans les noyaux atomiques. Ces dernières décennies, l’étude expérimentale de noyaux exotiques a mis en évidence une évolution des nombres magiques loin de la vallée de stabilité. On peut alors se poser la question de l’évolution des potentiels d’interaction eux-mêmes, et en particulier de l’interaction spin-orbite. Si cette interaction a été historiquement incluse « à la main » dans les modèles de champ moyen « classiques », elle émerge cependant naturellement dans les modèles relativistes. La description de l’interaction spin-orbite est très similaire dans ces deux types de modèles, mais il subsiste a priori un désaccord du point de vue de sa dépendance en isospin : les modèles non-relativistes de type Hartree-Fock présentent en effet un potentiel spin-orbite dépendant fortement de l’isospin, contrairement aux modèles de type Relativistic Mean Field.En 2009, des calculs mettant en œuvre différents modèles théoriques ont prédit l’existence d’une « bulle », caractérisée par une déplétion en densité protonique centrale, dans le ³⁴Si. Ce dernier aurait une densité protonique très exotique, et bien différente de sa densité neutronique. Le ³⁴Si constituerait alors une sonde idéale de l’évolution du potentiel spin-orbite dans les systèmes présentant une forte asymétrie protons-neutrons. L’émergence d’un tel effet trouverait son origine dans la déplétion de l’orbitale protonique2s½, les orbitales s étant les seules à contribuer à la densité nucléaire centrale.Une expérience réalisée en Septembre 2012 à NSCL (MSU, Etats-Unis), a permis de mettre en évidence pour la première fois un effet de bulle nucléaire dans le ³⁴Si. L’étude des facteurs spectroscopiques des états peuplés lors des réactions d’arrachage de proton ou de neutron ³⁴Si(-1p) ³³Al et ³⁴Si(-1n) ³³Si indique que sa structure neutronique est très proche d’un système sans corrélations au-delà du champ moyen, tandis que son orbitale protonique est très faiblement occupée : n(2s½) = 0,16(4).Les réactions ³⁶S(-1p) ³⁵P et ³⁶S(-1n) ³⁵S ont été étudiées dans les mêmes conditions expérimentales. L’évolution de l’occupation n(2s½) mesurée entre le ³⁶S et le ³⁴Si, ainsi que la variation de l’écart en énergie des partenaires spin-orbite neutroniques 2p½-2p^3/2, mesurée entre ces deux noyaux dans une expérience antérieure, sont en faveur des modèles de champ moyen non-relativistes. La partie théorique de cette thèse a cependant montré que la différence de comportement de l’interaction spin-orbite entre modèles relativistes et non-relativistes est en fait un artefact causé par l’omission du terme d’échange dans les calculs de type Relativistic Mean Field. En effet, l’inclusion du terme de Fock dans les modèles relativistes permet de rétablir la dépendance en isospin du potentiel spin-orbite observée dans le cas non-relativiste.