Comprendre la structure élémentaire de la matière, répondre à la question « de quoi l’Univers est-il fait ? » sont les thèmes centraux de recherche au LPSC.
Nous étudions ainsi les constituants fondamentaux de l’Univers et leurs interactions. Avec des techniques expérimentales complexes, de l’accélérateur de particules au télescope spatial, nous sondons la matière depuis 10-18 mètres, l’échelle des quarks qui composent protons et neutrons, jusqu’à 1026 mètres, le rayon de l’Univers observable.
Aux côtés de ces recherches fondamentales, d’autres axes plus appliqués et interdisciplinaires sont aussi développés tels que l’étude de réacteurs nucléaires innovants ou le développement de techniques utilisées pour le traitement des cancers. Récemment la physique des plasmas est maintenant un axe de recherche du LPSC.
Évolution de l’Univers
Depuis l’Antiquité, l’homme s’interroge sur la forme de l’Univers et sur son devenir. Aujourd’hui la théorie du Big-Bang est confortée par trois observations : l’expansion de l’Univers déduite de la vitesse d’éloignement des galaxies en fonction de leur distance, l’abondance de certains noyaux d’atomes tels que l’hélium ou le lithium formés quelques minutes seulement après le Big-Bang et la présence d’un bain thermique de photons à 3 K (soit -270°C). Ce dernier a été produit environ 300 000 ans après cet instant initial, lorsque matière et lumière se séparaient. Reste à savoir si, à grande échelle, l’espace-temps est plat ou courbe, si l’expansion de l’Univers se poursuivra éternellement ou non. Il faudra aussi en apprendre davantage sur l’épisode d’inflation qui s’est sans doute produit lors des tous premiers instants. Les réponses à ces questions sont de plus en plus précises grâce notamment à l’étude des petites fluctuations du bain thermique à 3 K ; celles-ci favorisent un univers plat et une expansion non seulement continue mais même accélérée.
Composition de l’Univers
De nombreuses mesures astrophysiques et cosmologiques permettent aujourd’hui d’accéder avec une grande précision à la répartition des différentes composantes de matière et d’énergie dans l’Univers. On dispose donc à présent d’une classification exhaustive et rigoureuse du contenu du Cosmos : rayonnement (négligeable), étoiles (0,5%), gaz (5%), entités non composées d’atomes usuels (25%), énergie d’accélération (70%). Mais, en contrepoint de ce succès, force est de constater que l’on ignore tout de la nature précise de la grande majorité de ces composantes physiques, soit de 95% de l’Univers ! Pour étayer cette description, il faut recourir à l’hypothèse de l’existence de nouvelles particules (par exemple les particules « supersymétriques ») et d’une énergie inconnue et mystérieuse (qui ne se dilue pas quand on en augmente le volume !). Cet étonnant visage de l’Univers invite à repenser ses constituants fondamentaux et témoigne d’une convergence effective entre des champs scientifiques aussi disjoints en apparence que la cosmologie et la physique des particules.
Le rayonnement cosmique
La Terre est en permanence bombardée par un flux d'environ 2000 particules chargées par seconde et par mètre carré au sommet de l'atmosphère. Ce rayonnement a permis la découverte de plusieurs particules élémentaires dans la première moitié du XXe siècle. Le domaine en énergie de ces particules s'étend de quelques milliers d'électron-volts (pour les particules du vent solaire) jusqu'à environ une centaine de milliards de milliards d'électron-volts (soit l'énergie d'une balle de fusil concentrée sur une seule particule bien plus petite qu'un atome). Outre la contribution du soleil dont l'émission de particules est à l'origine des aurores boréales, la plupart des sources de rayons cosmiques sont des supernovae localisées dans notre Galaxie. Les particules d'ultra-haute énergie ont pour leur part vraisemblablement une origine extra-galactique qui demeure mystérieuse. L'étude de ces particules et la recherche de leur origine fait l'objet d'expériences nombreuses et variées : depuis les instruments embarqués en ballon ou dans des satellites, en passant par les grands observatoires au sol qui s'étendent sur des milliers de kilomètres carrés pour détecter les rares particules d'ultra-haute énergie, et enfin les observatoires souterrains.
Les forces fondamentales
Dans l’état actuel de nos connaissances, les forces fondamentales sont au nombre de quatre. La première, la gravitation, fût découverte par Newton à la fin du XVIIe siècle. Il réussit alors à décrire dans une théorie unique deux phénomènes apparemment différents : la chute des corps et le mouvement des astres. La deuxième interaction est l’électromagnétisme, réunissant forces électriques et magnétiques (unification de l’électrodynamique et du magnétisme en 1860 par Maxwell). La troisième force fondamentale est l’interaction faible, responsable de la radioactivité naturelle et artificielle ; c’est elle qui transforme un neutron en proton dans certains processus radioactifs. Enfin, la quatrième force fondamentale est l’interaction forte, qui assure la cohésion des protons et des neutrons pour former les noyaux des atomes. La physique des particules a déjà réussi à décrire les composants élémentaires de la matière et les interactions électromagnétique et faible dans un cadre unifié, appelé le « Modèle Standard ». L’ambition des physiciens des particules est maintenant de réussir à intégrer également l’interaction forte dans ce cadre. Cette généralisation conduit aux « Théories de Grande Unification », qui sont et seront testées auprès de gigantesques accélérateurs de particules ou d’autres installations spécifiques, comme les expériences auprès de faisceaux de neutrons ultra-froids.
Les particules élémentaires
Un des enjeux importants en physique des hautes énergies est l’identification du mécanisme qui engendre les masses des particules élémentaires qui composent notre Univers. Ce mécanisme est intimement lié à l’existence de lois de symétries qui gouvernent la description du monde des particules et des quatre interactions connues. Le modèle le plus favorisé actuellement prédit que la masse est issue de l’interaction des particules avec un champ invisible appelé « champ de Higgs ». Ce modèle a des conséquences phénoménologiques intéressantes puisqu’il prévoit l’existence d’au moins une nouvelle particule, le « boson de Higgs ».
Les processus d’apparition de ce boson étant très rares et sa signature dans les détecteurs difficile à mettre en évidence, cette particule a été recherchée sans succès jusque récemment. Les expériences ATLAS et CMS auprès du LHC (Large Hadron Collider), le collisionneur de protons du CERN1, ont en effet annoncé en juillet 2012 la découverte d'un nouveau boson dont les premières caractéristiques mesurées sont compatibles avec celles du boson de Higgs du modèle standard.
Étude de l’interaction forte
Cet axe de recherche concerne la compréhension de la force forte qui assure la stabilité des noyaux d’atomes. Cette force domine l’interaction entre les quarks – des constituants élémentaires de la matière – et elle possède des propriétés remarquables décrites par la chromo-dynamique quantique (QCD). Les quarks restent ainsi confinés à l’intérieur du proton et la masse de ce dernier résulte non pas de la masse de ses constituants mais de leurs interactions.
Des avancées substantielles récentes, tant sur le plan expérimental que théorique, ont permis d’améliorer notre compréhension de la structure interne des protons et des neutrons. Les expériences au Jefferson Laboratory (USA), utilisant des sondes sensibles aux charges électriques ou faibles des quarks et à des énergies adaptées aux dimensions du nucléon, ont largement contribué à ces progrès.
L’étude du plasma de quarks et de gluons est une autre voie de recherche pour la compréhension de l’interaction forte. Les quarks sont confinés au sein des hadrons (protons et neutrons notamment), mais la QCD prédit l’existence d’un système déconfiné de quarks et de gluons, pour des conditions de température et de densité extrêmement élevées. Ces conditions qui prévalaient une microseconde (10-6 s) après le Big-Bang peuvent être reproduites en laboratoire : on utilise pour cela des collisions d’ions lourds ultra-relativistes auprès de certains accélérateurs comme le LHC.
De même, à l’échelle de distance immédiatement supérieure, l’objectif de la physique nucléaire est la compréhension de la structure des noyaux à partir des interactions entre les nucléons. Pour cela on explore les états extrêmes du noyau que ce soit en asymétrie neutrons/protons (noyaux exotiques), en charge (noyaux super lourds), en vitesse de rotation (noyaux super déformés) ou en énergie d’excitation (noyaux chauds). L’enjeu est la prédiction des modèles nucléaires – différentes théories prévoient la modification de l’organisation des nucléons dans le noyau loin de la stabilité – mais également des réactions astrophysiques qui sont responsables des abondances des noyaux trouvés sur la terre. Ces noyaux exotiques sont formés et étudiés auprès de grands instruments situés à l’ILL2, au GANIL3, au CERN et au GSI4.
Quel nucléaire pour demain ?
Depuis la fin du siècle dernier, plusieurs problématiques ont relancé la recherche nationale sur les réacteurs nucléaires : la possibilité de détruire une partie des déchets produits par ces réacteurs, leur capacité à garantir une production durable d’énergie à partir de ressources qui restent à optimiser, sans sacrifier aux exigences de sûreté toujours accrues des systèmes nucléaires. L’étude de réacteurs innovants trouve également une résonance à l’échelle mondiale comme une possible solution à l’augmentation de la demande énergétique, à la nécessité de lutter contre le réchauffement climatique et l’épuisement annoncé de certains combustibles fossiles.
Depuis plusieurs années, le CNRS5 en général et le LPSC en particulier, contribuent à l’effort de recherche qui porte sur les filières nucléaires basées sur l’utilisation du thorium comme combustible fertile et sur la possibilité de destruction des déchets à vie longue. Cette destruction peut en effet être effectuée dans des réacteurs dédiés comme les réacteurs sous-critiques pilotés par accélérateur.
Applications pour le médical
Dans le passé, la médecine a largement bénéficié du fruit des recherches menées en physique subatomique. Le LPSC perpétue cette tradition dans le secteur de la médecine nucléaire. Il a contribué à plusieurs efforts expérimentaux dans les domaines de l'hadronthérapie (traitement des cancers) et de la tomographie (imagerie).
Il travaille actuellement à l’amélioration de la sûreté en radiothérapie. La radiothérapie par photon utilise la technique de la modulation de l’intensité et de la forme du faisceau (IMRT), afin de délivrer le plus précisément possible la dose prescrite à la tumeur tout en limitant l’exposition des tissus sains. À ce jour, il n’existe aucun contrôle standard en ligne des caractéristiques du faisceau de photons en amont du patient. C’est pourquoi un détecteur pour la mesure en temps réel de la forme du faisceau d’irradiation en sortie d’accélérateur est en cours de développement. Naturellement de tels appareillages se mettent au point en relation étroite avec le service de radiothérapie du CHU de Grenoble.
Physique des Plasmas
Un groupe de recherche développe une thématique autour des Plasmas, Matériaux et Nanostructures. Avec la présence du service Sources d’ions, ceci permet de rassembler en un même lieu des compétences et un savoir-faire sur les plasmas micro-onde et en particulier les plasmas générés à la résonance cyclotronique électronique (RCE). Les recherches fondamentales portent sur le développement de nouvelles générations de plasmas micro-ondes. Ceux-ci sont capables d’offrir des performances accrues (extension d’échelle et uniformité des plasmas), des conditions opératoires élargies (pression, volume) et un meilleur contrôle des procédés (gravure, dépôt) mis en œuvre.
Les accélérateurs de particules aux multiples applications
Les accélérateurs de particules et leurs sources associées ont été utilisés, en premier lieu, comme sonde de la matière et de ses constituants fondamentaux pour explorer certaines interrogations de physique fondamentale. Au-delà de ces objectifs, qui sont toujours l’un des moteurs de leurs développements, les accélérateurs et les sources de particules trouvent maintenant de nombreuses applications dans le monde économique.
Pour répondre aux défis de la physique et de ses applications, il est nécessaire de développer des techniques aux limites de la connaissance actuelle, ce qui requiert des programmes de recherche et développement spécifiques.
Le LPSC, qui travaille depuis sa création sur la thématique des accélérateurs de particules, a créé un pôle Accélérateurs et Sources d’ions pour définir et prendre en charge de tels programmes. Le pôle assure la conception, la construction et la mise en œuvre de sources d’ions innovantes dédiées à la production d’ions mono ou multichargés et, de manière plus générale, d’accélérateurs de particules. Le pôle est plus particulièrement spécialisé dans les aspects liés à la dynamique de faisceau et à la radiofréquence. Ses activités se déclinent avec des études et des réalisations de systèmes ou sous-systèmes accélérateurs pour différents projets. De plus, le pôle assure une activité d’exploitation pour la physique du laboratoire.
Actuellement, le LPSC contribue à la construction du projet SPIRAL26, accélérateur d’ions radioactifs pour l’étude de la physique nucléaire sur le site du GANIL, aux machines composant la chaine d’accélération du CERN et enfin au développement des sources d’ions les plus compactes au monde permettant, entre autres, leur adaptation à de nombreux processus de traitement et d’analyse de matériaux. Dans le cadre des études sur les systèmes nucléaires du futur, le LPSC a développé un accélérateur pour le pilotage d’un prototype de réacteur innovant. L’accélérateur génère une source de neutrons versatile permettant la caractérisation en ligne du cœur.
Certaines tumeurs cancéreuses radio-résistantes peuvent être traitées par des irradiations de particules lourdes (protons, ions Carbone). Le LPSC a participé à la conception et à la mise en œuvre de telles machines médicales en Europe.
1. Organisation européenne pour la recherche nucléaire, Genève, Suisse
2. Institut Laue-Langevin, Grenoble
3. Grand accélérateur national d’ions lourds, Caen
4. Gesellschaft für Schwerionenforschung, Centre de recherche sur les ions lourds, Darmstat, Allemagne
5. Centre national de la recherche scientifique
6. Système de Production d’Ions RAdioactif en Ligne, Caen
