Spectroscopic study of heavy calcium isotopes 51,52,53Ca by beta decay of neutron-rich nuclei 51,52,53K and effective interaction in the fp shell

L'étude des noyaux riches en neutrons permet de sonder la matière nucléaire en fonction du degré d'isospin et d'observer l'évolution des fermetures de couches loin de la stabilité. De récents travaux expérimentaux ont montré l'apparition d'un nouveau nombre magique à N=32 dont les effets sont particulièrement prononcés pour 52Ca. Les isotopes de calcium très riches en neutrons (N>29) sont en effet des noyaux clés pour tester l'interaction neutron-neutron effective dans la couche fp grâce à la simplicité de leur fonction d'onde due à la fermeture de couche Z=20. L'étude des isotopes 51,52,53Ca a été réalisée par la décroissance bêta des noyaux 51,52,53K auprès du séparateur de masse ISOLDE au CERN avec un dispositif très efficace comprenant les multidétecteurs TONNERRE et LEND pour les neutrons retardés et deux détecteurs MINIBALL'pour les rayonnements gamma. Lors de l'analyse des données, une nouvelle méthode a été mise au point pour déterminer le nombre absolu de décroissances des isotopes de potassium par la modélisation du profil d'extraction des ions de l'ensemble cible-source au cours du temps. De nombreux états liés et non liés ont également pu être mis en évidence dans 51,52,53Ca sur un domaine en énergie d'excitation de plus de 11 MeV. Parallèlement, des calculs de modèle en couches ont été entrepris dans la couche fp et la modification de certains monopoles dans la voie d'isospin T=1 a permis la mise au point d'une nouvelle interaction KB3Gm reproduisant bien les résultats spectroscopiques nouvellement obtenus pour les isotopes 51,52,53Ca. Cette interaction prédit en outre un état 2+ autour de 2 MeV dans 54Ca. La mise en évidence expérimentale de cet état à cette énergie infirmerait l'hypothèse de l'apparition d'un nouveau nombre magique à N=34.The study of neutron rich nuclei is a powerful tool to observe shell evolution with isospin far from stability. Recent experimental studies have pointed out a new magic number at N=32 with strong features for 52Ca. Indeed neutron rich calcium isotopes (N>29) are key nuclei to fix the effective neutron-neutron interaction in fp shell due to the simplicity of the Z=20 wave function. The study of 51,52,53Ca isotopes has been performed at the CERN-ISOLDE mass separator facility by beta-decay of 51,52,53K. The experimental set-up was composed of the TONNERRE and the LEND detector array dedicated to the observation of the delayed neutrons and of two MINIBALL clusters for gamma detection. A new method has been developed to determine the absolute decay number of K isotopes by modelling the time evolution of the ions extraction from the target-ion-source ensemble. Moreover, a lot of new bound and unbound states have been observed in 51,52,53Ca in a wide energy range up to 11 MeV. Shell model calculations have been performed in the fp shell and some monopole corrections in the T=1 isospin channel have been done, giving rise to a new KB3Gm effective interaction. Calculations with this interaction well agree with new spectroscopic results on 51,52,53Ca and predict a 2+ state around 2 MeV in 54Ca. Such a future experimental observation would sign the non appearence of a new magic number at N=34