Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Après une sélection sévère, les premières cibles d'observation du télescope spatial James Webb (JWST) qui doit être lancé au printemps 2019, viennent d'être dévoilées.  Sur les 200 déclarations d’intention initialement envoyées par des chercheurs du monde entier, seulement 13 programmes ont été retenus au titre des "Premières publications scientifiques (ERS pour Early Release Science). Parmi eux, deux programmes auxquels participe le CEA. Ces observations auront lieu au cours des cinq premiers mois des opérations scientifiques du JWST, après une période de mise en service de six mois.

L’instrument NISP (Near IR Spectrometer Photometer) est un spectro-photomètre infrarouge qui équipera le télescope spatial Euclid (lancement prévu en 2021) dans le but de mieux comprendre la matière noire et l’énergie noire. Après trois ans de R&D aboutissant à un modèle de qualification, et 6 mois pour la construction et les tests du modèle de vol, les 2 cryomoteurs de NISP ont passé avec succès en novembre l’ensemble des tests de recette.  Une équipe de physiciens d'ingénieurs et de techniciens du CEA-Irfu est prête à les livrer au consortium instrumental Euclid/NISP. Ces cryomoteurs sont destinés à faire tourner les roues porte-filtres et porte-grismes¹ qui détermineront le mode d'observation de la caméra NISP en photométrie ou en spectroscopie. Ces deux modes sont indispensables  pour mesurer la forme et l'âge des galaxies.

¹Un grisme est un prisme dont une des faces est usinée de façon à former un réseau de diffraction afin de ne laisser passer qu'une seule longueur d'onde.

Sous la coupole du palais de l'Institut de France de l’Académie des sciences, une cérémonie de remise des prix a eu lieu mardi 21 novembre. Trois chercheurs de l'Irfu ont été récompensés pour leur travaux de premier plan, dans le domaine de la cosmologie pour Nathalie Palanque-Delabrouille (DPhP) et David Elbaz (DAp), et sur les propriétés des poussières et du gaz interstellaire dans l’Univers proche pour Suzanne Madden (DAp).

La compréhension de notre Univers soulève des questions fondamentales auxquelles théorie et observations tentent de répondre, et ouvre la porte à de nouveaux champs d’exploration, comme celui récent des ondes gravitationnelles récompensé par le Prix Nobel de physique 2017.
La plus emblématique énigme de la cosmologie moderne est celle de la composante sombre de notre Univers. Seuls 5% de l’Univers sont constitués de matière connue (dite baryonique) et de rayonnement.  95% de l’Univers sont de nature inconnue: la matière noire (25%), détectée par ses effets gravitationnels à toutes les échelles, et l’énergie sombre (70%), qui agit comme une pression négative s’opposant à la contraction gravitationnelle de l’Univers sous l’effet de la matière. 

Plusieurs sondes observationnelles complémentaires permettent d’enquêter de façon approfondie sur ces composantes sombres, d’une part en caractérisant leurs propriétés, et d’autre part en remontant le cours de l’histoire de l’Univers et de la formation des premières structures - des étoiles aux galaxies et amas de galaxies. Le CEA joue un rôle clé en contribuant à ces programmes observationnels ambitieux, ainsi qu’à la réalisation des instruments au sol et spatiaux les permettant. Trois de ses chercheurs sont récompensés pour leur travaux de premier plan; voici leurs portraits.

Alors que le James Webb Space Telescope (JWST) sort de la plus grande cuve cryogénique du monde, une étape cruciale pour le télescope et ses instruments a été franchie avec la réussite des tests cryogéniques. Au sein d’un consortium international, la France, en particulier le CEA/Irfu, le CNRS et le CNES, a joué un rôle clé pour fournir au successeur de Hubble et Spitzer son imageur infrarouge MIRIM, lui permettant d’obtenir des images dans une gamme de 5 à 28 microns de longueur d’onde.

Une grande partie des exoplanètes connues aujourd’hui sont en orbite très proche autour de leur étoile, permettant des interactions très intenses entre les planètes et l'étoile hôte. Une collaboration internationale, menée par des chercheurs du Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu, a montré que ces planètes en orbite proche migrent rapidement, dû à l’effet conjoint des forces de marées et des forces magnétiques. Cette étude apporte des éléments essentiels pour la compréhension de la formation et de l’évolution des systèmes étoile-planètes.  Ces effets de migration devraient être prochainement observables par des missions comme PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars) de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) qui vont étudier la zone d'habitabilité des planètes. Ces résultas sont publiés dans la revue Astrophysical Journal Letters d'octobre 2017.

A l'aide d'une panoplie de détecteurs développés avec la participation du CEA, les physiciens du CEA-Irfu ont scruté la région d'où est provenue l'onde gravitationnelle détectée le 17 août 2017 par les installations LIGO-VIRGO. A la différence des quatre détections précédentes d'ondes du même type découvertes depuis 2015, cette nouvelle vibration de l'espace,  baptisée GW170817, s'avère d'origine différente. Elle ne résulte pas de la fusion de deux trous noirs mais de deux étoiles les plus denses connues, les étoiles à neutrons.
Grâce au satellite INTEGRAL en orbite, les astrophysiciens du Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM (CEA, CNRS, Univ Paris Diderot) ont pu montrer que l'onde GW170817 s'était accompagnée d'un sursaut gamma, brève bouffée de rayons gamma  émise juste 2 secondes après la fusion des deux astres. En pointant en un temps record un des télescopes géants du VLT (Chili), ils ont également participé à l'étude de l'émission de lumière visible qui a suivi la fusion, montrant notamment que cette lumière n'était pas polarisée.
Les physiciens du Département de Physique de Particules du CEA-Irfu ont également analysé les données obtenues par les experiences ANTARES pour la recherche de neutrinos et H.E.S.S. pour la recherche de rayons gamma de très hautes énergies, montrant que l'onde GW170817 n'avait pas fourni d'émission détectable.

L'étude de ce phénomène nouveau, jamais observé jusqu'ici directement, offre de nombreuses perspectives excitantes pour l'astrophysique comme la possibilité de mieux comprendre l'origine des éléments très lourds de l'Univers et même la capacité de mesurer de façon totalement indépendante le taux d'expansion de l'Univers.
L'ensemble de ces résultats exceptionnels est publié le 16 octobre 2017 dans une série d'articles présentés dans les revues Nature, Astrophysical Journal et Physical Review Letters.

Le consortium CTA (Cherenkov Telescope Array), qui regroupe 1300 scientifiques de 32 pays dans le monde a publié fin septembre le recueil de ses objectifs scientifiques, un document de plus de 200 pages, résultat de plusieurs années de travail auquel ont contribué des chercheurs de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) du CEA.

A l'Irfu, le projet compte une quinzaine de physiciens et d'astrophysiciens du département de physique des particules (Irfu/DPhP) et du département d’astrophysique (Irfu/DAp). Leurs recherches se concentrent sur les phénomènes galactiques, la matière noire, les études de physique fondamentale et l’étude des phénomènes transitoires de l’Univers, des sujets abordés aujourd’hui grâce à leur implication dans les instruments H.E.S.S., Fermi, Integral, et XMM-Newton, pour n’en citer que quelques-uns.

L’observatoire CTA est sur le point de transformer notre vision du ciel à très haute énergie en détectant la lumière Tcherenkov produite par l’interaction des rayons gamma dans l’atmosphère. Afin de couvrir la totalité de la voute céleste, deux réseaux sont en cours d’installation respectivement sur le plateau d’Armazones au Chili et sur l’Ile de la Palma (archipel des Canaries). Ils comporteront au total une centaine de télescopes qui permettront d’étudier les phénomènes cataclysmiques de l’Univers, de sonder la matière soumise à des conditions extrêmes, et d’explorer les frontières de la physique, avec des performances dix fois supérieures aux instruments existants.

La sonde Cassini va terminer ce 15 septembre 2017 sa mission de plus de 13 ans autour de Saturne. A son bord, le plus petit instrument, un détecteur de seulement 5 milimètres de long, a été mis au point par le Departement  d'Astrophysique du CEA-Irfu qui en a assuré la réalisation en collaboration avec le CEA/Leti (Laboratoire d'électronique et des techniques de l'information). Ce détecteur, qui est au coeur du spectromètre infrarouge CIRS (Composite InfraRed Spectrometer" ou "Spectromètre Infrarouge Composite"),  a permis de mesurer la température des anneaux de Saturne avec une résolution inégalée et a permis de découvrir également de nombreuses molécules dans l'atmophère de Saturne et de son satellite Titan.

Une équipe internationale incluant deux chercheurs du Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu a détecté pour le première fois la présence de la molécule CH+ dans les galaxies distantes de l’Univers jeune, grâce au grand interféromètre ALMA. La présence de cette molécule particulière démontre l'existence autour des jeunes galaxies de vastes réservoirs turbulents de gaz froid de faible densité. Leur présence pourrait permettre d'expliquer comment les galaxies parviennent à prolonger leur phase d’intense formation stellaire malgré l'éjection de matière induite lors des explosions d'étoiles. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature du 24 aout 2017.

Grâce à de nouvelles simulations numériques, une équipe scientifique animée par des chercheurs du Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu est parvenue à expliquer pourquoi le champ magnétique du Soleil se renverse tous les 11 ans. Les scientifiques ont mis en évidence l’existence d’une rétroaction forte entre le champ magnétique de l’étoile et son profil de rotation interne, dont les modulations temporelles déterminent ultimement la période du cycle. Cette découverte majeure quant à la compréhension de l’origine du champ magnétique des étoiles est publiée le 14 juillet 2017 dans la revue Science.

Voir la vidéo :   Le cycle magnétique du Soleil en réalité virtuelle (CEA Astrophysique)

La mission spatiale PLATO (Planetary Transits and Oscillations of stars / Transits Planétaires et Oscillations d'étoiles) a été adoptée lors d'une réunion du Comité du programme scientifique de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) qui s'est tenue le 21 juin 2017. PLATO a pour objectif la découverte de planètes rocheuses autour d’étoiles proches, semblables à notre Soleil. Sélectionnée par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) en 2014, la mission était en préparation et son adoption clôt la phase d’étude et donne le feu vert à la phase de réalisation des instruments. Par suite, dans les prochains mois, un appel d’offre va être lancé pour la fourniture de la plate-forme spatiale sur laquelle sera placé le télescope et ses instruments. PLATO sera lancé en 2026, et il sera placé à près de 1,5 million de km de la Terre. Le satellite surveillera des dizaines de milliers d'étoiles brillantes, recherchant des variations de lumière de quelques dix millièmes, et périodiques, signes du passage d’une planète devant le disque de leur étoile.

En utilisant des images obtenues avec le télescope spatial Hubble, une équipe internationale de chercheurs menée par Yu-Yen Chang du Service d’Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA–IRFU a démontré que certaines galaxies hébergeant un noyau actif avaient une forme beaucoup plus compacte que celle des galaxies dont le trou noir central est inactif. Cette découverte apporte un éclairage nouveau sur les processus physiques qui alimentent la croissance des trous noirs super-massifs au cœur des galaxies lointaines (d'environ 8 milliards d'années). Elle suggère que les énormes quantités de gaz nécessaires à leur croissance pourraient être acheminées vers la région centrale suite à de violentes instabilités gravitationnelles présentes au sein meme du disque des galaxies. Ces instabilités déclencheraient une phase de contraction dynamique, expliquant ainsi la morphologie ultra-compacte des galaxies observées ici. Ces travaux sont publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Une équipe internationale incluant des chercheurs du Département d'Astrophysique (CEA-Irfu) et du Service de physique de l'état condensé (CEA-Iramis) a réalisé une simulation inédite, basée sur l'expérience de dynamo Von-Kármán-Sodium (VKS) (CEA-CNRS-ENS) [1], pour examiner de plus près comment le vortex de liquide créé par les hélices du dispositif VKS dans du sodium liquide génère un champ magnétique. Les chercheurs ont étudié les effets de la résistivité électrique et de la turbulence des fluides sur la génération et la collimation du champ magnétique généré. La modélisation détaillée montre comment un champ magnétique peut émerger par effet dynamo au sein d'un liquide conducteur turbulent. Ces résultats, publiés le 23 mai 2017 dans la revue Physics of Plasma, permettent d’éclairer les astrophysiciens sur la génération des champs magnétiques au sein des étoiles ou planètes.

Une équipe internationale incluant un chercheur du Laboratoire AIM-Département d'Astrophysique du CEA-Irfu vient de découvrir au sein de l'amas de galaxies Abell 2670 une galaxie elliptique de forme totalement inattendue. Des observations profondes réalisées grâce au nouveau multi-spectrograph MUSE nouvellement mis en service à l'observatoire européen VLT du Chili, ont révélé une galaxie elliptique très déformée, montrant en particulier de longues queues de gaz et des régions de formation d'étoiles normalement absentes dans ce type de galaxies. Les astronomes supposent désormais que cette galaxie a du subir une fusion récente avec une autre  galaxie riche en gaz. Une grande partie de ce gaz a été conduit au centre de la galaxie elliptique lors de la collision. Ces résultats sont publiés dans l'Astrophysical Journal Letters de mai 2017 

L’expérience d’astrophysique PILOT a été lancée le 17 avril sous un ballon stratosphérique depuis Alice Springs, au centre de l’Australie. Le but est d’observer la polarisation de l’émission des grains de poussières présents dans le milieu interstellaire de notre Galaxie et des galaxies proches. Avec une masse de près d’une tonne, PILOT [1] utilise les plus gros ballons lancés par le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES). Elle a été développée par l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (CNRS/CNES/Université Paul Sabatier) et l’Institut d’astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) et l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers (CEA-Irfu). Les détecteurs capables de détecter le rayonnement infrarouge des poussières ont été développés au CEA et sont issus des travaux effectués pour réaliser la caméra PACS qui équipait l'observatoire spatial Herschel.

Le nuage moléculaire du milieu interstellaire constitue le lieu au sein duquel se forment, de manière non uniforme les proto-amas d’étoiles, régions qui donnent ensuite naissance aux étoiles. Etudier les étapes conduisant à l’effondrement des cœurs denses pré-stellaires est essentiel pour comprendre la formation des étoiles. A l’aide à la fois de simulations numériques réalisées sur des calculateurs massivement parallèles et d’une approche analytique, deux chercheurs du Service d’Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA-Irfu, Y.-N. Lee et P. Hennebelle, ont montré que certaines propriétés d’un amas d’étoiles sont déterminées avant le début de la formation stellaire, notamment dans la phase gazeuse et que les effets de gravité et de turbulence jouent un rôle majeur. Ces travaux, publiés sous la forme de deux articles dans la revue Astronomy & Astrophysics, permettent de mieux comprendre les paramètres liés à la formation des étoiles comme la fonction de masse initiale ou leur taux  et efficacité de formation.

Les étoiles ne jouent pas aux dés ! C'est l'extraordinaire découverte qu'on fait les chercheurs du Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu en parvenant à déterminer l'orientation dans l'espace de l'axe de rotation d'étoiles appartenant à deux amas d'étoiles grâce à l'astérosismologie. Environ 70 % des étoiles observées ont des axes de rotation parfaitement alignés, en contradiction formelle avec les modèles de formation d'étoiles qui prédisent au contraire que ces axes de rotation devraient être distribués totalement aléatoirement. Des simulations numériques ont permis de montrer que, très probablement, ces étoiles avaient réussi à conserver le mouvement de rotation initiale du nuage qui a donné naissance à l'amas. Cette découverte, si elle est confirmée dans d'autres amas, pourrait amener à reconsidérer les processus fondamentaux de la formation des étoiles. Ces travaux font la une de la revue Nature Astronomy du 13 mars 2017.

Voir l'interview : Le mystère de l'alignement de l'axe de rotation des étoiles 

Sept planètes de taille terrestre et de température modérée gravitent autour de l’étoile Trappist-1, une petite étoile rouge à 40 années-lumière de la Terre. Mieux : au moins trois d’entre elles sont dans des conditions compatibles avec la présence d’eau liquide en surface. C’est ce qu’a découvert une équipe internationale impliquant des chercheurs du CNRS, du CEA et de l’UPMC au Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux (CNRS/Université de Bordeaux), au Laboratoire de météorologie dynamique (CNRS/UPMC/École polytechnique/ENS) et au Service d'Astrophysique-Laboratoire AIM (CEA/ CNRS/Université Paris Diderot). Le système planétaire orbitant autour de l'étoile Trappist-1 constitue à ce jour l'un des plus étonnants et des plus riches, notamment en termes de perspectives scientifiques : au-delà de la détermination de l’orbite et de la masse de ces planètes, il sera possible, dans un avenir proche, de mettre en évidence la présence éventuelle d’atmosphères. Cette étude est publiée dans Nature le 23 février 2017.

Un trou noir géant a détruit une étoile et a ensuite ingurgité ses restes pendant environ une décennie, selon les astronomes. C'est plus de dix fois plus long que tous les évènement analogues observés jusque ici.
Une équipe intenationale de chercheurs, incluant un astrophysicien du Service d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu, a fait cette découverte étonnante en utilisant des données des trois satellites, Chandra X-ray Observatory (NASA), SWift (NASA) ainsi que XMM-Newton (ESA). Les résultats de cette étude sont à paraitre dans la revue Nature Astronomy.

Au sein d’une équipe franco-canadienne, des chercheurs du Service d’Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA-Irfu  ont étudié l'évolution au cours du temps du vent stellaire d’étoiles voisines du Soleil.  Basé sur des simulations numériques 3D sur des ordinateurs massivement parallèles du GENCI couplé à des observations, l’étude sur un  échantillon d’étoiles d’âge compris entre 25 millions d’années et 4.5 milliards d’années (l’âge du Soleil) a permis de suivre comment le vent stellaire, son intensité et sa distribution de vitesses évolue au cours du temps. Ces travaux sont notamment basés sur les contraintes imposées par les mesures du champ magnétique de surface des étoiles obtenues par des observations en mode de spectropolarimétrie. Ils conduisent en particulier à établir une loi de distribution de vitesse du vent stellaire en fonction de l’âge de l’étoile. Ces travaux sont publiés dans la revue The Astrophysical Journal, décembre 2016.

Une équipe de chercheurs dirigée par Rémi Adam (Laboratoire Lagrange – OCA, UCA, LPSC Grenoble, CNES), Iacopo Bartalucci et Gabriel Pratt (Service d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu), a obtenu pour la première fois une image de la vitesse du gaz dans des amas de galaxies en collision grâce à NIKA [1], une caméra nouvelle génération dans le domaine millimétrique, au foyer du télescope IRAM de 30 m de diamètre du Pico Veleta (Espagne). Les observations NIKA, qui ont fourni une cartographie précise de la vitesse du gaz chaud dans les amas, offrent une nouvelle manière d'étudier la collision des amas de galaxies, responsables des événements les plus énergiques dans l’Univers après le Big Bang. Ces travaux sont en cours de publication dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Depuis plus de 10 ans maintenant, les physiciens et ingénieurs de l’Irfu ont développé à Saclay l’appareillage nécessaire pour l’expérience GBAR, conçue pour tester le comportement de l’antimatière sous gravité terrestre. Une étape importante vient d’être franchie avec le montage au Cern d’une nouvelle source de positons utilisant sur un linac à électrons, et le transport au Cern du système de piégeage des positons construit à Saclay.

La nouvelle source a produit ses premiers positons le 17 novembre 2017. L’installation des pièges est en cours, pour être opérationnels lors de l’arrivée des antiprotons, prévue pour le printemps 2018.

Sous la coupole du palais de l'Institut de France de l’Académie des sciences, une cérémonie de remise des prix a eu lieu mardi 21 novembre. Trois chercheurs de l'Irfu ont été récompensés pour leur travaux de premier plan, dans le domaine de la cosmologie pour Nathalie Palanque-Delabrouille (DPhP) et David Elbaz (DAp), et sur les propriétés des poussières et du gaz interstellaire dans l’Univers proche pour Suzanne Madden (DAp).

La compréhension de notre Univers soulève des questions fondamentales auxquelles théorie et observations tentent de répondre, et ouvre la porte à de nouveaux champs d’exploration, comme celui récent des ondes gravitationnelles récompensé par le Prix Nobel de physique 2017.
La plus emblématique énigme de la cosmologie moderne est celle de la composante sombre de notre Univers. Seuls 5% de l’Univers sont constitués de matière connue (dite baryonique) et de rayonnement.  95% de l’Univers sont de nature inconnue: la matière noire (25%), détectée par ses effets gravitationnels à toutes les échelles, et l’énergie sombre (70%), qui agit comme une pression négative s’opposant à la contraction gravitationnelle de l’Univers sous l’effet de la matière. 

Plusieurs sondes observationnelles complémentaires permettent d’enquêter de façon approfondie sur ces composantes sombres, d’une part en caractérisant leurs propriétés, et d’autre part en remontant le cours de l’histoire de l’Univers et de la formation des premières structures - des étoiles aux galaxies et amas de galaxies. Le CEA joue un rôle clé en contribuant à ces programmes observationnels ambitieux, ainsi qu’à la réalisation des instruments au sol et spatiaux les permettant. Trois de ses chercheurs sont récompensés pour leur travaux de premier plan; voici leurs portraits.

La collaboration Atlas a présenté au Cern, le 24 octobre 2017, des preuves de la production de bosons de Higgs en association avec une paire de quarks top et antitop, dans les données enregistrées en 2015 et 2016 à 13 TeV d’énergie de collision proton-proton. L’observation de ce processus rare, objet de recherches menées au sein du groupe « ttH », orchestré par un physicien de l’Irfu/DPhP, ouvre des perspectives quant à l’étude du mécanisme de Higgs via la mesure du couplage du quark top au boson de Higgs.

Pour la première fois, les expériences Atlas et CMS cosignent un article, soumis à la revue JHEP, sur la physique du quark top. Ce travail collaboratif, dont les physiciens de l’Irfu ont été responsables pour la partie Atlas, consiste à combiner les mesures des deux expériences de ce qu’on appelle l’asymétrie de charge dans la production des paires de quarks top-antitop, A_c. En réduisant significativement l’erreur sur la mesure finale, ce travail permet de tester le phénomène subtil d’asymétrie prédit par le modèle standard de la physique des particules et l’éventuelle présence ténue de nouvelle physique.

A l'aide d'une panoplie de détecteurs développés avec la participation du CEA, les physiciens du CEA-Irfu ont scruté la région d'où est provenue l'onde gravitationnelle détectée le 17 août 2017 par les installations LIGO-VIRGO. A la différence des quatre détections précédentes d'ondes du même type découvertes depuis 2015, cette nouvelle vibration de l'espace,  baptisée GW170817, s'avère d'origine différente. Elle ne résulte pas de la fusion de deux trous noirs mais de deux étoiles les plus denses connues, les étoiles à neutrons.
Grâce au satellite INTEGRAL en orbite, les astrophysiciens du Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM (CEA, CNRS, Univ Paris Diderot) ont pu montrer que l'onde GW170817 s'était accompagnée d'un sursaut gamma, brève bouffée de rayons gamma  émise juste 2 secondes après la fusion des deux astres. En pointant en un temps record un des télescopes géants du VLT (Chili), ils ont également participé à l'étude de l'émission de lumière visible qui a suivi la fusion, montrant notamment que cette lumière n'était pas polarisée.
Les physiciens du Département de Physique de Particules du CEA-Irfu ont également analysé les données obtenues par les experiences ANTARES pour la recherche de neutrinos et H.E.S.S. pour la recherche de rayons gamma de très hautes énergies, montrant que l'onde GW170817 n'avait pas fourni d'émission détectable.

L'étude de ce phénomène nouveau, jamais observé jusqu'ici directement, offre de nombreuses perspectives excitantes pour l'astrophysique comme la possibilité de mieux comprendre l'origine des éléments très lourds de l'Univers et même la capacité de mesurer de façon totalement indépendante le taux d'expansion de l'Univers.
L'ensemble de ces résultats exceptionnels est publié le 16 octobre 2017 dans une série d'articles présentés dans les revues Nature, Astrophysical Journal et Physical Review Letters.

Le consortium CTA (Cherenkov Telescope Array), qui regroupe 1300 scientifiques de 32 pays dans le monde a publié fin septembre le recueil de ses objectifs scientifiques, un document de plus de 200 pages, résultat de plusieurs années de travail auquel ont contribué des chercheurs de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) du CEA.

A l'Irfu, le projet compte une quinzaine de physiciens et d'astrophysiciens du département de physique des particules (Irfu/DPhP) et du département d’astrophysique (Irfu/DAp). Leurs recherches se concentrent sur les phénomènes galactiques, la matière noire, les études de physique fondamentale et l’étude des phénomènes transitoires de l’Univers, des sujets abordés aujourd’hui grâce à leur implication dans les instruments H.E.S.S., Fermi, Integral, et XMM-Newton, pour n’en citer que quelques-uns.

L’observatoire CTA est sur le point de transformer notre vision du ciel à très haute énergie en détectant la lumière Tcherenkov produite par l’interaction des rayons gamma dans l’atmosphère. Afin de couvrir la totalité de la voute céleste, deux réseaux sont en cours d’installation respectivement sur le plateau d’Armazones au Chili et sur l’Ile de la Palma (archipel des Canaries). Ils comporteront au total une centaine de télescopes qui permettront d’étudier les phénomènes cataclysmiques de l’Univers, de sonder la matière soumise à des conditions extrêmes, et d’explorer les frontières de la physique, avec des performances dix fois supérieures aux instruments existants.

Des physiciens de l'expérience ATLAS, au CERN, ont observé le premier signe direct de la diffusion lumière-lumière à haute énergie, un processus très rare dans lequel deux photons (des particules de lumière) interagissent et changent de direction. Le résultat publié le 14 aout dans la revue Nature Physics confirme l'une des plus anciennes prédictions de l'électrodynamique quantique.

Les physiciens d'ATLAS vont continuer à étudier la diffusion lumière-lumière pendant la prochaine exploitation du LHC avec ions lourds, prévue pour 2018. Avec davantage de données, la précision du résultat sera encore meilleure, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour les études sur la nouvelle physique

en savoir plus:

février 2017: le fait marquant Irfu de février 2017

14 aout 2017: le communique de presse du CERN

contact Irfu: Laurent SCHOEFFEL

La collaboration internationale T2K, dans laquelle l’Irfu est fortement impliqué, annonce le 4 août 2017 de nouvelles indications d'une violation de la symétrie entre les neutrinos et les antineutrinos. T2K a analysé les données recueillies depuis 2010 jusqu'en 2017 : leurs nouveaux résultats, combinés avec les mesures d'oscillations de neutrinos de réacteurs, excluent que les neutrinos et les antineutrinos aient la même probabilité d'oscillations de saveur avec un niveau de confiance de 95% (2 écarts-type). Ce qui revient à dire qu’il y a 1 chance sur 20 que cette violation soit due à une fluctuation statistique. Après des améliorations sur le détecteur proche, en grande partie conçues et réalisées par l’Irfu, une nouvelle phase de prise de données (T2K-2) est prévue de 2021 à 2026, qui pourrait établir la violation de la symétrie CP à 3 écarts-type (99,7% de niveau de confiance).

Une des grandes questions en physique des particules est l’existence ou non d’une différence de comportement entre matière et antimatière. De grandes expériences sur faisceau de neutrinos testent cette violation de symétrie en observant leurs oscillations sur de très longues distances. Pour valider la nouvelle technologie de ces futures expériences, des prototypes de plus faibles volumes sont construits.

L'expérience WA105 au CERN, à laquelle participe l’Irfu, a observé en juin 2017 les premiers signaux de rayons cosmiques dans un détecteur à argon liquide de nouvelle génération. Ce prototype est une chambre à projection temporelle à argon liquide avec phase gazeuse permettant l’observation tridimensionnelle des produits d’interaction des neutrinos. Ce premier prototype (3x1x1 m³, 25 t d’argon liquide) va permettre de valider un certain nombre de choix techniques qui seront appliqués au démonstrateur WA105 de 300 t d’argon liquide (6x6x6 m³) qui prendra des données en 2018 avec un faisceau du Cern. La validation de cette nouvelle technologie est cruciale pour les futurs détecteurs (60x12x12 m³, 10 kt) de la prochaine expérience d'oscillation de neutrinos DUNE aux États-Unis dont le démarrage est prévu en 2026 et qui a démarré en juillet 2017 la construction de son laboratoire souterrain.

Plusieurs décennies après sa découverte, la nature de la matière noire reste une énigme. Récemment, des observations astrophysiques ont motivé de nouveaux modèles cosmologiques dits "matière noire tiède" et "matière noire ultra-légère", pour expliquer ses propriétés. Les spectres des quasars mesurés en particulier par les relevés BOSS auprès du télescope Sloan et XQ100 auprès du VLT ont permis aux chercheurs du DPhP de les tester. Leurs observations favorisent l'hypothèse d'une matière noire froide standard, et placent parmi les contraintes les plus fortes sur les masses de ces particules.

Les observations cosmologiques et astrophysiques démontrent l'existence d'une matière noire, source principale des forces de gravité qui produisent et soutiennent les grandes structures de l'univers. Malgré plusieurs décennies d'investigations, la nature de cette matière noire reste en revanche inconnue. En particulier aucune trace de particules de type WIMPs, longtemps évoquées, n'a été trouvée à ce jour que ce soit au LHC, dans les expériences de détection dite directe comme EDELWEISS, ou indirecte comme HESS. D'autres modèles de matière noire font donc l'objet d'attentions croissantes.

Dans le domaine de l'imagerie médicale, une équipe de l'Irfu s'est lancé un défi : imager l'activité du cerveau avec une précision d'1 mm³. Son nom : CaLIPSO. Une technologie innovante à double-détection : à la fois la lumière et les électrons. Pour cela, une série de verrous technologiques doit être levée. Et l'une de ces étapes cruciales vient d'être franchie. Il s'agit de mettre en œuvre la chaîne entière d'ultra-purification du liquide de détection.

Du 5 au 12 juillet 2017, la communauté mondiale de physique des particules s’est réunie à Venise à l’occasion de la conférence EPS2017, occasion pour toutes les expériences LHC de présenter les  résultats  issus de l’exploitation des données fournies par le LHC à 13 TeV (de 2015 à 2016). Des physiciens du DPhP, experts en recherche d’hypothétiques particules de type « boson de Higgs » mais plus massifs, ont contribué aux résultats présentés. Leurs analyses nouvelles permettent d’améliorer la sensibilité aux Higgs lourds.

Au bout de quatre ans de recherche et développement, l’équipe du projet LUMINEU, préparant CUPID, le futur de la traque de la désintégration double beta sans émission de neutrino (0νββ) avec des bolomètres, élit le molybdate de lithium pour un démonstrateur. En 2016, pas moins de quatre publications décisives impliquant des chercheurs de l’Irfu couronnent ce travail et éclairent la voie à suivre.

La première carte de distribution spatiale des structures de l’univers d’aujourd’hui à plus de 10 milliards d’années vient d’être révélée par les astronomes du programme Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Pour remonter à cet âge lointain de l’Univers, les physiciens ont utilisé les sources les plus violentes de l’Univers : les quasars. Ils représentent les objets les plus lumineux et témoignent d'un lointain passé où l'Univers commençait à peine à se structurer après le Big Bang.
A partir de cette nouvelle carte, les chercheurs ont mesuré pour la 1ère fois les distances entre les structures de l’Univers tel qu’il était il y a plus de 6 milliards d’années. Les groupes français du CEA et du CNRS ont eu un rôle majeur dans cette mesure que ce soit concernant la sélection des quasars mais aussi l’analyse de près de 150 000 sources. Les observations continuent mais les résultats de cette nouvelle étude après 2 ans de prise de données confirment déjà le modèle standard de la cosmologie.

Les quatre caméras des « petits » télescopes de l’observatoire H.E.S.S. ont vu leur électronique de lecture rajeunir de plus de 15 ans afin de rejoindre les performances du cinquième télescope, installé en 2012. Cette mise à niveau va permettre aux cinq télescopes de travailler de concert et d’optimiser l’identification des photons de hautes énergies du cosmos. L’opération de jouvence, démarrée en 2013, a permis  l’installation des 4 caméras durant l’été dernier  pour aboutir, en janvier 2017, à une première observation simultanée d’une première source gamma. La mise en service de ces caméras aux performances et à la fiabilité améliorées laisse présager une belle moisson de nouveaux résultats scientifiques pour H.E.S.S. qui représente 1/4 des télescopes gammas en fonctionnement dans le monde. Ce succès a aussi validé l’utilisation de la puce NECTAr, conçue par l’Irfu pour équiper une quinzaine de caméras du futur observatoire CTA dont l’installation débutera en 2018.

Après douze ans de bons et loyaux services dans l’environnement poussiéreux et hostile des hauts plateaux namibiens, quatre des cinq caméras de l’expérience H.E.S.S devaient être remplacées. Ces quatre caméras installées en 2005 par des équipes du CNRS/IN2P3 et du CEA/Irfu, ont été à l’origine de la découverte de plus de 100 objets astrophysiques qui émettent des photons de très haute énergie (au-delà de quelques dizaines de GeV), de l’élaboration de la première carte en 2004 du plan galactique (voir l’image à la fin du texte) à ces énergies, de la découverte d’une source de rayons cosmiques au PeV (10¹⁵ eV) et de bien d’autres observations.

La réaction à 4 photons :  γ+γ→γ+γ est théoriquement possible comme prédit dès 1936,  mais cette réaction a toujours été inaccessible malgré les dizaines de tentatives expérimentales. L’intérêt de mesurer son taux de réaction est qu’il est lié aux propriétés du vide quantique. C’est dans ce contexte que l’expérience Atlas a annoncé en 2016 sa première observation, obtenue avec des données enregistrées fin 2015 correspondant à environ 4 milliards de collisions de physique (toutes réactions confondues) en ions plomb contre plomb à 5 TeV. Un physicien de l’Irfu/SPP a dirigé l’équipe qui a réalisé cette mesure, dont la publication vient d'être soumise à Nature Physics.

L’instrument Desi (Dark Energy Spectroscopic Instrument) analysera la lumière émise par 35 millions de galaxies et quasars à plusieurs moments du passé de l’Univers et jusqu’à 11 milliards d’année, pour mieux cerner l’énergie noire. Son passage en phase de construction en 2016 couronne plusieurs années de recherche et développement qui ont abouti à un design solide et une stratégie d’observation crédible. L’Irfu, partenaire du projet depuis la première heure, y a tenu toute sa place. Retour sur une année qui a vu le projet devenir réalité.

Une nouvelle phase commence pour DESI

L’homogénéité de l’Univers est l’un des fondements de la cosmologie. Des chercheurs de l’Irfu ont réalisé une cartographie de l’Univers en 3D grâce au relevé de quasars de SDSS III (Sloan Digital Sky Survey). Ils ont ainsi pu vérifier cette hypothèse pour des échelles plus grandes que le milliard d’années-lumière. Cette étude n’est pas un simple test de cohérence, contrairement aux précédentes, c’est-à-dire qu’elle ne repose pas au départ de façon implicite sur l’homogénéité pour la démontrer à la fin. Elle a été publiée dans Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Volume 2016, November 2016.

Le principe cosmologique

La cosmologie se fonde sur le principe cosmologique, qui stipule que l’Univers est isotrope, le même dans toutes les directions, et homogène, le même en tout point. Mais, direz vous, quand j’observe le ciel à l’œil nu, il ne m’apparaît pas isotrope, les étoiles se regroupent dans la voie lactée.  L’Univers est effectivement anisotrope à petite échelle, mais à une échelle de l’ordre du milliard d’années-lumière il serait isotrope et homogène, comme illustré sur la figure 1. Mais en est-on sûr ?

Le comité européen pour la collaboration en physique nucléaire (NuPECC) a publié le 19 juin dernier son cinquième plan à long terme. Dans le cadre de sa mission : « fournir des conseils et faire des recommandations sur le développement, l’organisation et le support de la recherche européenne sur la physique nucléaire et en particulier ses projets », ce plan offre aux décideurs et chercheurs un référentiel pour les perspectives des prochaines années.

Les physiciens de la collaboration Compass au Cern, dont fait partie une équipe de l’Irfu, viennent de publier les résultats d’une mesure sur la structure en quarks du proton [1] pour le moins originale. Cette mesure, attendue depuis longtemps, tend à confirmer l’une des prédictions de la théorie de l’interaction forte, la Chromodynamique Quantique (QCD). En effet, d’après la QCD, une prédiction appelée « factorisation », stipule que la réaction complexe entre deux particules lors d’une collision nucléaire de suffisamment grande énergie peut être séparée en deux contributions : l’interaction elle-même et les fonctions de distribution des quarks à l’intérieur des particules en interaction. Pour examiner le concept de factorisation, les expérimentateurs ont mesuré une même quantité physique, appelée asymétrie, mais en employant deux processus différents : avec un faisceau de muons en premier lieu et avec un faisceau de pions ensuite.  Le résultat est original car paradoxalement, pour confirmer les prédictions de la QCD, les deux expériences doivent fournir des résultats de signes opposés.

La collaboration ScanPyramids a découvert un nouveau vide au cœur de la pyramide de Kheops. Ce grand vide a été détecté par des techniques d’imagerie muoniques menées par trois équipes distinctes de l'Université de Nagoya (Japon), du KEK (Japon) et du CEA/Irfu. C’est la 1^ère découverte d'une structure interne majeure de Kheops depuis le Moyen-Age

De dimensions proches de celle de la grande galerie, structure architecturale située au cœur de la grande pyramide (47m de long, 8m de haut), cette nouvelle cavité, baptisée ScanPyramids Big Void, a une longueur minimale de 30 mètres. Observée pour la première fois avec des films à émulsion nucléaire installés dans la chambre de la Reine (Université de Nagoya), puis détectée avec un télescope de scintillateurs installé dans la même chambre (KEK), elle a été confirmée avec des détecteurs gazeux, Micromegas, situés eux à l’extérieur de la pyramide (CEA) ), et donc avec un angle de vue très différent permettant d’affiner la localisation de ce vide. C’est la première fois qu'un instrument détecte depuis l’extérieur une cavité située au plus profond d’une pyramide.

Ces résultats ont été publiés par l'équipe ScanPyramids le 2 novembre 2017 dans le journal Nature.

A l’initiative de physiciens du DPhN, la collaboration internationale COMPASS au CERN a mené un programme de mesures de haute précision concernant la production de kaons. La méthode a consisté à étudier les kaons chargés négativement K^- d’une part, et les kaons chargés positivement K⁺ d’autre part, afin d’accéder séparément aux quarks et antiquarks étranges impliqués dans la réaction de diffusion d’un lepton sur un nucléon. Ces résultats viennent d’être publiés dans la revue Physics Letters B [1]. Ils contraignent des quantités fondamentales de la structure du nucléon relatives aux quarks dits étranges, et les mécanismes physiques de production de particules composées de quarks étranges. Notamment, on soupçonne les quarks étranges d’être responsables d’une fraction non négligeable du spin du nucléon sans pouvoir l’établir avec certitude ; la connaissance de ces probabilités permettra de progresser sur cette question.

Sous la responsabilité de physiciens du CEA Irfu et de RIKEN (Japon), une collaboration internationale des équipes de RIKEN RIBF, de l'Irfu (SPhN, SACM, SEDI) et d'autres groupes européens dont l'IPNO a réalisé la première spectroscopie des isotopes très riches en neutrons ^98,100Kr. L’expérience met en évidence qu’à basse énergie d’excitation du noyau de ⁹⁸Kr, deux configurations différentes coexistent à des énergies très proches. La compétition entre ces deux configurations, représentées par des formes différentes, se traduit par une transition brutale d’une forme à l’autre pour l’état fondamental des chaînes isotopiques Rb, Sr et Zr à partir du 60^e neutron. Dans cette expérience, on observe au contraire une transition plus progressive pour les isotopes de Kr en fonction du nombre de neutrons. Cette étude est un pas décisif vers la compréhension des limites de cette région de transition de phase quantique. Les résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters [PRL 118, 242501 (2017)].

Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Nature Physics, la collaboration Alice rapporte que les collisions de protons présentent parfois des motifs similaires à ceux observés dans les collisions de noyaux lourds. Ce comportement a été remarqué lors de l’observation d’un nombre accru de hadrons dits "étranges" dans les collisions de protons où un grand nombre de particules sont créées.

Cette augmentation est une des caractéristiques habituelles de l’état de la matière sous forme de plasma de quarks et de gluons qui aurait existé pendant quelques microsecondes après le Big Bang. Selon Boris Hippolyte, qui a présidé le comité de revue interne à la Collaboration pour cette publication, il s’agit de vérifier si l’expérience ALICE n’est pas en train de mesurer les plus petites gouttes de plasma de quarks et de gluons jamais formées.

Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un nouvel état très dense et chaud où les constituants les plus élémentaires de la matière (quarks et gluons) sont libérés des hadrons où ils se trouvent habituellement confinés. Ce milieu, analogue à celui par lequel l’Univers tout entier serait passé quelques microsecondes après le Big Bang, est créé lors des collisions d’ions lourds à haute énergie comme celles entre noyaux de plomb au LHC du Cern. Pour prouver l’existence de ce plasma et en étudier ses propriétés, les physiciens recherchent dans leurs données des particules rares composées d’une paire de quark charme avec son anti-quark (c-cbar), appelé le méson J/ψ . En présence du QGP, ces particules pourraient subir deux effets absents dans la matière froide (sans QGP) : une suppression de production (les paires c-cbar produites seront dissociées par le plasma) et une régénération (si les quarks c et cbar sont très nombreux, ils pourraient se recombiner et régénérer ainsi des nouveaux J/ψ dans le plasma). Ces deux effets opposés avaient déjà été observés avec les 1^res données du LHC en 2012 mais avec une faible précision pour la recombinaison. Avec les données de la nouvelle campagne du LHC (2015-2018), la collaboration internationale Alice vient de publier dans la revue Physics Review Letters B les premiers résultats sur la production du J/ψ avec une bien meilleure précision et à une énergie de collision plus élevée (√(s_NN) = 5.02 TeV au lieu de 2.76 TeV en 2012). L'effet de la recombinaison qui compense la suppression a été confirmé dans le mécanisme de production du J/ψ au LHC. L’équipe de l’Irfu membre d’Alice a coordonné  cette analyse et y a fortement contribué.

Une équipe internationale menée par l’Irfu et RIKEN (Japon) a conçu et conduit une expérience pour réaliser la première mesure de la spectroscopie du ¹¹⁰Zr. C’est un noyau clef pour comprendre la structure des noyaux les plus exotiques et la genèse des éléments lourds dans l’univers. Les résultats seront publiés en Janvier 2017 dans Physical Review Letters, et distingués comme “suggestion de l'éditeur”. Les scientifiques franchissent ainsi une nouvelle étape dans la compréhension des manifestations de l’interaction nucléaire.

L’image dynamique de la structure interne du nucléon s’exprime au travers de facteurs de forme électromagnétiques. La diffusion d’électrons permet de caractériser cette matière, dont la concentration à l’intérieur d’un rayon d’environ 1 fm (10^-15 m) est loin d’être uniforme. Cette même matière peut se créer suite à une annihilation électron-positron ainsi que disparaître dans la rencontre avec l’antimatière, lors d’une collision proton-antiproton. De manière remarquable, ce sont les mêmes facteurs de forme qui sont mesurés par les sections efficaces et les distributions angulaires de toutes ces réactions. Ils portent les secrets de la formation de la matière à partir du vide crée par l’annihilation. L’Irfu, depuis les expériences à Saclay (ALS), a participé à plusieurs expériences sur ce sujet, en diffusion (Jefferson Lab, Etats-Unis) et en annihilation (SLAC, Etats-Unis). Une expérience future pourra mesurer de façon précise ces facteurs de forme sur un grand domaine cinématique : l’expérience PANDA (FAIR, Allemagne). Une simulation détaillée prédisant les signaux attendus sur une telle machine a récemment été publiée dans la prestigieuse revue EPJA, qui a choisi de souligner la qualité de ce travail en y consacrant sa couverture. La précision élevée de cette expérience d’annihilation permettra pour la première fois la connaissance individuelle des facteurs de forme électrique et magnétique dans ce régime cinématique.

Faire une photo en haute définition des réactions nucléaires est maintenant possible avec le nouveau détecteur ACTAR TPC (ACtive TARget Time Projection Chamber) développé au GANIL dans le cadre d’une collaboration internationale. Le dispositif ACTAR TPC remplit deux fonctions simultanément : celle de cible et celle de détecteur. En effet, le gaz dont il est rempli constitue la cible de matière avec laquelle interagit le faisceau d’ions incident. Par ailleurs, l’ionisation de ce même gaz, par les ions projectiles et par les particules produites lors des collisions nucléaires, permet de visualiser leurs trajectoires en trois dimensions et donc de « voir » la dissociation des noyaux atomiques impliqués dans la collision. L’électronique développée et dédiée spécifiquement à ce type de détecteur, associée à un nombre de voies très important, permet de reconstituer très précisément ces trajectoires grâce à l’acquisition de quelques 8 Méga Voxels (éléments de volume) jusqu’à 100 fois par seconde. En novembre 2017, ACTAR-TPC a passé avec succès les tests sous les faisceaux du GANIL et sera donc utilisé lors de la campagne d’expériences 2018 au GANIL.

Depuis plus de 10 ans maintenant, les physiciens et ingénieurs de l’Irfu ont développé à Saclay l’appareillage nécessaire pour l’expérience GBAR, conçue pour tester le comportement de l’antimatière sous gravité terrestre. Une étape importante vient d’être franchie avec le montage au Cern d’une nouvelle source de positons utilisant sur un linac à électrons, et le transport au Cern du système de piégeage des positons construit à Saclay.

La nouvelle source a produit ses premiers positons le 17 novembre 2017. L’installation des pièges est en cours, pour être opérationnels lors de l’arrivée des antiprotons, prévue pour le printemps 2018.

La collaboration ScanPyramids a découvert un nouveau vide au cœur de la pyramide de Kheops. Ce grand vide a été détecté par des techniques d’imagerie muoniques menées par trois équipes distinctes de l'Université de Nagoya (Japon), du KEK (Japon) et du CEA/Irfu. C’est la 1^ère découverte d'une structure interne majeure de Kheops depuis le Moyen-Age

De dimensions proches de celle de la grande galerie, structure architecturale située au cœur de la grande pyramide (47m de long, 8m de haut), cette nouvelle cavité, baptisée ScanPyramids Big Void, a une longueur minimale de 30 mètres. Observée pour la première fois avec des films à émulsion nucléaire installés dans la chambre de la Reine (Université de Nagoya), puis détectée avec un télescope de scintillateurs installé dans la même chambre (KEK), elle a été confirmée avec des détecteurs gazeux, Micromegas, situés eux à l’extérieur de la pyramide (CEA) ), et donc avec un angle de vue très différent permettant d’affiner la localisation de ce vide. C’est la première fois qu'un instrument détecte depuis l’extérieur une cavité située au plus profond d’une pyramide.

Ces résultats ont été publiés par l'équipe ScanPyramids le 2 novembre 2017 dans le journal Nature.

Le consortium CTA (Cherenkov Telescope Array), qui regroupe 1300 scientifiques de 32 pays dans le monde a publié fin septembre le recueil de ses objectifs scientifiques, un document de plus de 200 pages, résultat de plusieurs années de travail auquel ont contribué des chercheurs de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) du CEA.

A l'Irfu, le projet compte une quinzaine de physiciens et d'astrophysiciens du département de physique des particules (Irfu/DPhP) et du département d’astrophysique (Irfu/DAp). Leurs recherches se concentrent sur les phénomènes galactiques, la matière noire, les études de physique fondamentale et l’étude des phénomènes transitoires de l’Univers, des sujets abordés aujourd’hui grâce à leur implication dans les instruments H.E.S.S., Fermi, Integral, et XMM-Newton, pour n’en citer que quelques-uns.

L’observatoire CTA est sur le point de transformer notre vision du ciel à très haute énergie en détectant la lumière Tcherenkov produite par l’interaction des rayons gamma dans l’atmosphère. Afin de couvrir la totalité de la voute céleste, deux réseaux sont en cours d’installation respectivement sur le plateau d’Armazones au Chili et sur l’Ile de la Palma (archipel des Canaries). Ils comporteront au total une centaine de télescopes qui permettront d’étudier les phénomènes cataclysmiques de l’Univers, de sonder la matière soumise à des conditions extrêmes, et d’explorer les frontières de la physique, avec des performances dix fois supérieures aux instruments existants.

Au cours des 13,8 milliards d'années d'histoire de l'Univers, des forces attractives et répulsives ont agi pour concentrer la matière dans certaines régions et en laisser d'autres de plus en plus vides. Pour la première fois, une cartographie des grandes structures de l’Univers, y compris celles non observables par les méthodes classiques, a été réalisée en étudiant les mouvements de milliers de galaxies. Ces travaux, impliquant l'Irfu et l’Institut de Physique Nucléaire de Lyon sont parus le 10 août 2017 dans The Astrophysical Journal.

Des physiciens de l'expérience ATLAS, au CERN, ont observé le premier signe direct de la diffusion lumière-lumière à haute énergie, un processus très rare dans lequel deux photons (des particules de lumière) interagissent et changent de direction. Le résultat publié le 14 aout dans la revue Nature Physics confirme l'une des plus anciennes prédictions de l'électrodynamique quantique.

Les physiciens d'ATLAS vont continuer à étudier la diffusion lumière-lumière pendant la prochaine exploitation du LHC avec ions lourds, prévue pour 2018. Avec davantage de données, la précision du résultat sera encore meilleure, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour les études sur la nouvelle physique

en savoir plus:

février 2017: le fait marquant Irfu de février 2017

14 aout 2017: le communique de presse du CERN

contact Irfu: Laurent SCHOEFFEL

La collaboration internationale T2K, dans laquelle l’Irfu est fortement impliqué, annonce le 4 août 2017 de nouvelles indications d'une violation de la symétrie entre les neutrinos et les antineutrinos. T2K a analysé les données recueillies depuis 2010 jusqu'en 2017 : leurs nouveaux résultats, combinés avec les mesures d'oscillations de neutrinos de réacteurs, excluent que les neutrinos et les antineutrinos aient la même probabilité d'oscillations de saveur avec un niveau de confiance de 95% (2 écarts-type). Ce qui revient à dire qu’il y a 1 chance sur 20 que cette violation soit due à une fluctuation statistique. Après des améliorations sur le détecteur proche, en grande partie conçues et réalisées par l’Irfu, une nouvelle phase de prise de données (T2K-2) est prévue de 2021 à 2026, qui pourrait établir la violation de la symétrie CP à 3 écarts-type (99,7% de niveau de confiance).

Une des grandes questions en physique des particules est l’existence ou non d’une différence de comportement entre matière et antimatière. De grandes expériences sur faisceau de neutrinos testent cette violation de symétrie en observant leurs oscillations sur de très longues distances. Pour valider la nouvelle technologie de ces futures expériences, des prototypes de plus faibles volumes sont construits.

L'expérience WA105 au CERN, à laquelle participe l’Irfu, a observé en juin 2017 les premiers signaux de rayons cosmiques dans un détecteur à argon liquide de nouvelle génération. Ce prototype est une chambre à projection temporelle à argon liquide avec phase gazeuse permettant l’observation tridimensionnelle des produits d’interaction des neutrinos. Ce premier prototype (3x1x1 m³, 25 t d’argon liquide) va permettre de valider un certain nombre de choix techniques qui seront appliqués au démonstrateur WA105 de 300 t d’argon liquide (6x6x6 m³) qui prendra des données en 2018 avec un faisceau du Cern. La validation de cette nouvelle technologie est cruciale pour les futurs détecteurs (60x12x12 m³, 10 kt) de la prochaine expérience d'oscillation de neutrinos DUNE aux États-Unis dont le démarrage est prévu en 2026 et qui a démarré en juillet 2017 la construction de son laboratoire souterrain.

Du 5 au 12 juillet 2017, la communauté mondiale de physique des particules s’est réunie à Venise à l’occasion de la conférence EPS2017, occasion pour toutes les expériences LHC de présenter les  résultats  issus de l’exploitation des données fournies par le LHC à 13 TeV (de 2015 à 2016). Des physiciens du DPhP, experts en recherche d’hypothétiques particules de type « boson de Higgs » mais plus massifs, ont contribué aux résultats présentés. Leurs analyses nouvelles permettent d’améliorer la sensibilité aux Higgs lourds.

Sous la responsabilité de physiciens du CEA Irfu et de RIKEN (Japon), une collaboration internationale des équipes de RIKEN RIBF, de l'Irfu (SPhN, SACM, SEDI) et d'autres groupes européens dont l'IPNO a réalisé la première spectroscopie des isotopes très riches en neutrons ^98,100Kr. L’expérience met en évidence qu’à basse énergie d’excitation du noyau de ⁹⁸Kr, deux configurations différentes coexistent à des énergies très proches. La compétition entre ces deux configurations, représentées par des formes différentes, se traduit par une transition brutale d’une forme à l’autre pour l’état fondamental des chaînes isotopiques Rb, Sr et Zr à partir du 60^e neutron. Dans cette expérience, on observe au contraire une transition plus progressive pour les isotopes de Kr en fonction du nombre de neutrons. Cette étude est un pas décisif vers la compréhension des limites de cette région de transition de phase quantique. Les résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters [PRL 118, 242501 (2017)].

L’expérience CAST (CERN Axion Solar Telescope) vient de publier dans Nature Physics de nouveaux résultats sur les propriétés des axions. Les axions sont des particules dont l’existence a été imaginée dans les années 70 pour résoudre un problème fondamental de la physique des particules concernant l’asymétrie entre la matière et l’antimatière. Ces particules seraient très légères et interagiraient très peu avec la matière, si peu que pour l’instant elles n’ont pas encore pu être détectées.

Bien que les axions ne soient toujours pas au rendez-vous, CAST a obtenu les meilleurs limites à l’heure actuelle sur le couplage entre les axions et les photons dans une zone de l’espace de paramètres qui est très difficile à explorer expérimentalement. Ces résultats ont été rendus possibles grâce à la performance d’un détecteur Micromegas, développé à l’Irfu, couplé à une optique de focalisation pour rayons X. Ce système détecteur-optique a été optimisé pour la première fois pour une expérience d’axions solaires et sera  un précurseur pour les expériences à venir. En particulier, l’expérience IAXO (International Axion Observatory), qui vise à améliorer la sensibilité sur la constante de couplage axion-photon de 1.5 ordres de grandeur par rapport aux meilleures limites actuelles, profitera de ces développements pour ses systèmes de détection.

Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Nature Physics, la collaboration Alice rapporte que les collisions de protons présentent parfois des motifs similaires à ceux observés dans les collisions de noyaux lourds. Ce comportement a été remarqué lors de l’observation d’un nombre accru de hadrons dits "étranges" dans les collisions de protons où un grand nombre de particules sont créées.

Cette augmentation est une des caractéristiques habituelles de l’état de la matière sous forme de plasma de quarks et de gluons qui aurait existé pendant quelques microsecondes après le Big Bang. Selon Boris Hippolyte, qui a présidé le comité de revue interne à la Collaboration pour cette publication, il s’agit de vérifier si l’expérience ALICE n’est pas en train de mesurer les plus petites gouttes de plasma de quarks et de gluons jamais formées.

L’ESS (European Spallation Source) dont la construction a démarré en 2013 à Lund en Suède, sera la source de spallation la plus puissante au monde. Dans le cadre de ce projet, l’Irfu vient de livrer ses deux premières contributions : un diagnostic optique et un émittancemètre. En effet, il est indispensable de contrôler différents paramètres dont la pureté du faisceau ainsi que sa vergence qui sont tous deux sous la responsabilité de l’Irfu. L’institut a donc été en charge de la construction de deux émittancemètres et d’un diagnostic optique. Ce dernier mesure la pureté du faisceau grâce au décalage Doppler. Les différentes espèces d’ions ont une énergie identique mais pas la même masse, donc des vitesses différentes, ce qui génère des décalages Doppler en fonctions des types d’ions. La pureté attendue est de l’ordre de 80% ce qui a été obtenu lors des tests à Catane. Le deuxième contrat de l’Irfu concerne le développement d'émittancemètres qui contrôlent la vergence du faisceau. Ils viennent de terminer leur dernière session de tests en janvier 2016 démontrant de très bonnes performances. La livraison de ces diagnostics et le succès des « Acceptance Tests » par l’ESS permettent de clore deux contrats signés entre le CEA et l'ESS dans le cadre de la contribution en nature de la France à cette source de neutrons.

La plateforme d’intégration de détecteurs de grande taille Ciclad a été inaugurée le 13 mars 2017 en présence de Jean-François Vigier, Conseiller régional de la Région Île-de-France, et de Vincent Berger, Directeur de la Recherche Fondamentale, au CEA. Ouverte aux chercheurs et aux industriels, elle enrichit l’offre technologique du complexe Détecteurs de l’Irfu. Elle a bénéficié d’un financement Sesame de la Région Ile-de-France.

Dans des conditions de température, hygrométrie et propreté très rigoureuses, la salle de blanche de 130 m² de Ciclad dispose des équipements nécessaires pour fabriquer des détecteurs de rayonnements ionisants Micromegas de grande taille. En particulier, ses deux marbres de précision sont munis de portiques mobiles à sustentation aérostatique, permettant des contrôles dimensionnels avec une précision de  quelques micromètres et l’enduction de colle automatique des pièces.

En 2017-18, sa première production de 400 m² de détecteurs Micromegas est destinée à l’amélioration des performances de l’accélérateur LHC (Large Hadron Collider) au Cern, prévue à l’horizon 2020.

Les détecteurs Micromegas, pour MICRO MEsh GAseous Structure, sont des détecteurs de particules gazeux utilisant des procédés issus de la technologie des circuits imprimés. Inventés en 1992 par Georges Charpak et Ioannis Giomataris de l’Irfu, les détecteurs Micromegas sont utilisés principalement en physique expérimentale (physique des particules, physique nucléaire, astrophysique, etc.) mais également pour des projets d’imagerie de grandes structures ou des objets denses avec des rayons cosmiques.

Les quatre caméras des « petits » télescopes de l’observatoire H.E.S.S. ont vu leur électronique de lecture rajeunir de plus de 15 ans afin de rejoindre les performances du cinquième télescope, installé en 2012. Cette mise à niveau va permettre aux cinq télescopes de travailler de concert et d’optimiser l’identification des photons de hautes énergies du cosmos. L’opération de jouvence, démarrée en 2013, a permis  l’installation des 4 caméras durant l’été dernier  pour aboutir, en janvier 2017, à une première observation simultanée d’une première source gamma. La mise en service de ces caméras aux performances et à la fiabilité améliorées laisse présager une belle moisson de nouveaux résultats scientifiques pour H.E.S.S. qui représente 1/4 des télescopes gammas en fonctionnement dans le monde. Ce succès a aussi validé l’utilisation de la puce NECTAr, conçue par l’Irfu pour équiper une quinzaine de caméras du futur observatoire CTA dont l’installation débutera en 2018.

Après douze ans de bons et loyaux services dans l’environnement poussiéreux et hostile des hauts plateaux namibiens, quatre des cinq caméras de l’expérience H.E.S.S devaient être remplacées. Ces quatre caméras installées en 2005 par des équipes du CNRS/IN2P3 et du CEA/Irfu, ont été à l’origine de la découverte de plus de 100 objets astrophysiques qui émettent des photons de très haute énergie (au-delà de quelques dizaines de GeV), de l’élaboration de la première carte en 2004 du plan galactique (voir l’image à la fin du texte) à ces énergies, de la découverte d’une source de rayons cosmiques au PeV (10¹⁵ eV) et de bien d’autres observations.

La réaction à 4 photons :  γ+γ→γ+γ est théoriquement possible comme prédit dès 1936,  mais cette réaction a toujours été inaccessible malgré les dizaines de tentatives expérimentales. L’intérêt de mesurer son taux de réaction est qu’il est lié aux propriétés du vide quantique. C’est dans ce contexte que l’expérience Atlas a annoncé en 2016 sa première observation, obtenue avec des données enregistrées fin 2015 correspondant à environ 4 milliards de collisions de physique (toutes réactions confondues) en ions plomb contre plomb à 5 TeV. Un physicien de l’Irfu/SPP a dirigé l’équipe qui a réalisé cette mesure, dont la publication vient d'être soumise à Nature Physics.

Une équipe internationale, impliquant le CEA, l’Université Claude Bernard Lyon 1 et le CNRS, a découvert la raison du déplacement de notre galaxie à 630 km/s : le Dipole Repeller.

Ce résultat, paru le 30 janvier 2017, apporte une réponse à une énigme de plus de 40 ans pour les astrophysiciens et a été sélectionné par Nature Astronomy, la toute nouvelle revue du groupe Nature consacrée aux sciences de l’Univers.

Dans notre voisinage extragalactique existe une immense région vide qui exercerait une force de répulsion sur notre galaxie, la Voie lactée. Ce « repousseur » contribue aux forces gravitationnelles qui nous font naviguer à près de 2,3 millions de km/h sur la toile cosmique, la structure suivant laquelle la matière s’organise à grande échelle, notamment sous la forme de filaments qui connectent des galaxies entre elles et séparent des vides.

Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un nouvel état très dense et chaud où les constituants les plus élémentaires de la matière (quarks et gluons) sont libérés des hadrons où ils se trouvent habituellement confinés. Ce milieu, analogue à celui par lequel l’Univers tout entier serait passé quelques microsecondes après le Big Bang, est créé lors des collisions d’ions lourds à haute énergie comme celles entre noyaux de plomb au LHC du Cern. Pour prouver l’existence de ce plasma et en étudier ses propriétés, les physiciens recherchent dans leurs données des particules rares composées d’une paire de quark charme avec son anti-quark (c-cbar), appelé le méson J/ψ . En présence du QGP, ces particules pourraient subir deux effets absents dans la matière froide (sans QGP) : une suppression de production (les paires c-cbar produites seront dissociées par le plasma) et une régénération (si les quarks c et cbar sont très nombreux, ils pourraient se recombiner et régénérer ainsi des nouveaux J/ψ dans le plasma). Ces deux effets opposés avaient déjà été observés avec les 1^res données du LHC en 2012 mais avec une faible précision pour la recombinaison. Avec les données de la nouvelle campagne du LHC (2015-2018), la collaboration internationale Alice vient de publier dans la revue Physics Review Letters B les premiers résultats sur la production du J/ψ avec une bien meilleure précision et à une énergie de collision plus élevée (√(s_NN) = 5.02 TeV au lieu de 2.76 TeV en 2012). L'effet de la recombinaison qui compense la suppression a été confirmé dans le mécanisme de production du J/ψ au LHC. L’équipe de l’Irfu membre d’Alice a coordonné  cette analyse et y a fortement contribué.

L’instrument Desi (Dark Energy Spectroscopic Instrument) analysera la lumière émise par 35 millions de galaxies et quasars à plusieurs moments du passé de l’Univers et jusqu’à 11 milliards d’année, pour mieux cerner l’énergie noire. Son passage en phase de construction en 2016 couronne plusieurs années de recherche et développement qui ont abouti à un design solide et une stratégie d’observation crédible. L’Irfu, partenaire du projet depuis la première heure, y a tenu toute sa place. Retour sur une année qui a vu le projet devenir réalité.

Une nouvelle phase commence pour DESI

Une équipe internationale menée par l’Irfu et RIKEN (Japon) a conçu et conduit une expérience pour réaliser la première mesure de la spectroscopie du ¹¹⁰Zr. C’est un noyau clef pour comprendre la structure des noyaux les plus exotiques et la genèse des éléments lourds dans l’univers. Les résultats seront publiés en Janvier 2017 dans Physical Review Letters, et distingués comme “suggestion de l'éditeur”. Les scientifiques franchissent ainsi une nouvelle étape dans la compréhension des manifestations de l’interaction nucléaire.

Depuis plus de 10 ans maintenant, les physiciens et ingénieurs de l’Irfu ont développé à Saclay l’appareillage nécessaire pour l’expérience GBAR, conçue pour tester le comportement de l’antimatière sous gravité terrestre. Une étape importante vient d’être franchie avec le montage au Cern d’une nouvelle source de positons utilisant sur un linac à électrons, et le transport au Cern du système de piégeage des positons construit à Saclay.

La nouvelle source a produit ses premiers positons le 17 novembre 2017. L’installation des pièges est en cours, pour être opérationnels lors de l’arrivée des antiprotons, prévue pour le printemps 2018.

L’instrument NISP (Near IR Spectrometer Photometer) est un spectro-photomètre infrarouge qui équipera le télescope spatial Euclid (lancement prévu en 2021) dans le but de mieux comprendre la matière noire et l’énergie noire. Après trois ans de R&D aboutissant à un modèle de qualification, et 6 mois pour la construction et les tests du modèle de vol, les 2 cryomoteurs de NISP ont passé avec succès en novembre l’ensemble des tests de recette.  Une équipe de physiciens d'ingénieurs et de techniciens du CEA-Irfu est prête à les livrer au consortium instrumental Euclid/NISP. Ces cryomoteurs sont destinés à faire tourner les roues porte-filtres et porte-grismes¹ qui détermineront le mode d'observation de la caméra NISP en photométrie ou en spectroscopie. Ces deux modes sont indispensables  pour mesurer la forme et l'âge des galaxies.

¹Un grisme est un prisme dont une des faces est usinée de façon à former un réseau de diffraction afin de ne laisser passer qu'une seule longueur d'onde.

Alors que le James Webb Space Telescope (JWST) sort de la plus grande cuve cryogénique du monde, une étape cruciale pour le télescope et ses instruments a été franchie avec la réussite des tests cryogéniques. Au sein d’un consortium international, la France, en particulier le CEA/Irfu, le CNRS et le CNES, a joué un rôle clé pour fournir au successeur de Hubble et Spitzer son imageur infrarouge MIRIM, lui permettant d’obtenir des images dans une gamme de 5 à 28 microns de longueur d’onde.

Début août 2017, le dipôle FRESCA2, conçu et réalisé en collaboration entre l’Irfu et le CERN, a atteint le champ de 13,3 T au centre de l’ouverture de 100 mm lors des tests effectués dans la station d’essai HFM au CERN. C’est un nouveau record mondial, avec une énergie stockée de 3 MJ/m et des forces mécaniques jamais atteintes dans ce type d’aimant. Cet électroaimant a été étudié pour donner une homogénéité de champ magnétique de l’ordre du pourcent sur une longueur de 540 mm.

Lors d’un premier refroidissement à 1,9 K, l’aimant dipôle FRESCA2b a atteint un champ de 13,04 T à 10,6 kA après deux quenchs [1] et ce champ a été maintenu dans l’aimant pendant une heure. Si seulement deux essais ont pu être réalisés à 4,5 K, compte-tenu du temps disponible, ils ont montré deux quenchs à des valeurs très proches du champ nominal (12,98 T). Après un cycle thermique (remontée à la température de 280 K et deuxième refroidissement à 1,9 K), l’aimant a atteint le champ de 13,3 T à 10,85 kA sans quench additionnel. Cette valeur correspond à 71 % de la valeur maximale atteignable sur la ligne de charge de l’aimant. A 13 T, l’aimant a montré un fonctionnement stable pendant quatre heures. La station de test est à présent en maintenance, et les tests devraient reprendre en octobre pour explorer les limites d’opération du nouvel aimant.

La sonde Cassini va terminer ce 15 septembre 2017 sa mission de plus de 13 ans autour de Saturne. A son bord, le plus petit instrument, un détecteur de seulement 5 milimètres de long, a été mis au point par le Departement  d'Astrophysique du CEA-Irfu qui en a assuré la réalisation en collaboration avec le CEA/Leti (Laboratoire d'électronique et des techniques de l'information). Ce détecteur, qui est au coeur du spectromètre infrarouge CIRS (Composite InfraRed Spectrometer" ou "Spectromètre Infrarouge Composite"),  a permis de mesurer la température des anneaux de Saturne avec une résolution inégalée et a permis de découvrir également de nombreuses molécules dans l'atmophère de Saturne et de son satellite Titan.

Une des grandes questions en physique des particules est l’existence ou non d’une différence de comportement entre matière et antimatière. De grandes expériences sur faisceau de neutrinos testent cette violation de symétrie en observant leurs oscillations sur de très longues distances. Pour valider la nouvelle technologie de ces futures expériences, des prototypes de plus faibles volumes sont construits.

L'expérience WA105 au CERN, à laquelle participe l’Irfu, a observé en juin 2017 les premiers signaux de rayons cosmiques dans un détecteur à argon liquide de nouvelle génération. Ce prototype est une chambre à projection temporelle à argon liquide avec phase gazeuse permettant l’observation tridimensionnelle des produits d’interaction des neutrinos. Ce premier prototype (3x1x1 m³, 25 t d’argon liquide) va permettre de valider un certain nombre de choix techniques qui seront appliqués au démonstrateur WA105 de 300 t d’argon liquide (6x6x6 m³) qui prendra des données en 2018 avec un faisceau du Cern. La validation de cette nouvelle technologie est cruciale pour les futurs détecteurs (60x12x12 m³, 10 kt) de la prochaine expérience d'oscillation de neutrinos DUNE aux États-Unis dont le démarrage est prévu en 2026 et qui a démarré en juillet 2017 la construction de son laboratoire souterrain.

Les équipes du DACM et du DIS ont réalisé un champ magnétique record de 4,52 teslas au centre d’un dipôle prototype bobiné avec un matériau supraconducteur à haute température critique lors d’essais en bain d’hélium liquide. C'est 1 tesla de plus que le dernier record connu pour un dipôle du même type.

Ce dipôle est la première étape vers l’utilisation des supraconducteurs à haute température critique (HTS) pour les aimants d’accélérateurs. Il a comme objectif de démontrer l’utilisation possible d'un ruban céramique HTS de type REBCO pour générer un champ additionnel de 5 T à 4,2 K dans le champ de 13 T du dipôle Nb₃Sn FRESCA2, et obtenir un champ total de 18 T.

La conception de cet aimant a commencé dans le cadre du programme européen EuCARD (European Coordination for Accelerator Research and Development), en collaboration avec le CNRS de Grenoble, l’INFN de Milan, l’Université de Tampere et le CERN. Ella a été poursuivie et complétée dans le cadre du premier contrat de collaboration CERN/CEA sur les aimants supraconducteurs pour les accélérateurs du futur. Le design de l’aimant a ainsi pu être amélioré et le prototype réalisé par les agents du Laboratoire d’Etudes des Aimants Supraconducteurs (LEAS) à Saclay de 2014 à 2016.

Les tests de l’aimant ont débuté en avril 2017, dans la station d’essai Séjos du Laboratoire de Cryogénie et Stations d’Essais (LCSE). Une première campagne d’expériences à 77 K, en azote gaz, puis en bain d’azote liquide, a permis de vérifier les performances du câble supraconducteur tout en restant à des valeurs réduites d’énergie stockée. Au delà du courant nominal de 295 A, ces essais à 77 K ont été poussés jusqu'à 320 A.

Les tests ont repris après le refroidissement de l’aimant à une température proche de celle de l’hélium liquide. A cette température, le courant nominal nécessaire pour produire un champ central de 5 T est de 2800 A. Les performances de l’aimant ont d’abord été testées en hélium gaz, conditions pour lesquelles une transition de l’aimant est plus facilement détectable. Le courant de l’aimant a été progressivement augmenté jusqu’à une valeur maximale de 2500 A. A cette valeur, une induction magnétique de 4,3 T a été mesurée par les sondes de hall placées au centre de l’aimant.

Les tests se sont poursuivis en bain d’hélium liquide à 4,2 K. Le courant dans l’aimant a été limité à 2600 A valeur maximale de l’alimentation de puissance utilisée. Aucun signe de transition des rubans supraconducteurs n’a été détecté. L’induction magnétique mesurée au centre de l’aimant était de 4,52 T.

L’ajout d’un nouveau module de puissance, disponible mi-septembre, doit permettre d’atteindre voire dépasser le courant nominal de 2800 A.

Ces tests préliminaires permettront aussi de valider l’ensemble des codes développés dans le cadre des études de l’aimant et de la R&D HTS, notamment pour les problèmes intrinsèques aux supraconducteurs HTS (quench de l’aimant, magnétisation, courants d’écrantages).

Le 6 juillet 2017, en présence de Daniel Verwaerde, administrateur général du CEA, André Syrota, conseiller de l'administrateur général, Claire Corot, directrice recherche et innovation chez Guerbet, Serge Ripart, directeur imagerie chez Siemens Healthcare France, et Gilles Bloch, président de l'Université Paris-Saclay, l'aimant géant de 132 tonnes du projet Iseult a intégré officiellement l’infrastructure de recherche NeuroSpin du centre CEA de Paris-Saclay (Essonne). Cet objet de très haute technologie, qui constitue l’élément principal du scanner IRM (Imagerie par Résonance magnétique) le plus puissant au monde destiné à l’imagerie du cerveau humain, produira un champ magnétique de 11.75 teslas, soit près de 230000 fois le champ magnétique terrestre. Pour atteindre ce niveau de champ magnétique, les ingénieurs chercheurs du CEA ont dû concevoir un aimant supraconducteur hors norme!

Vous revivrez l'aventure de cet aimant sous ce lien.

Ce mardi 18 avril 2017, les équipes de l’aimant du projet Iseult du CEA et de GE se sont réunies à Belfort pour fêter l’aboutissement de leur travail commun. Après six années de construction jalonnées de sueurs froides et de moments de fierté, ce bijou de technologie pesant près de 130 tonnes est soumis à d’ultimes tests avant de débuter son grand voyage vers Neurospin. Une fois installé à Saclay de nombreuses et délicates opérations l'attendent encore:  il faudra l’équiper pour qu’il devienne un aimant de scanner IRM, le brancher à son système cryogénique et l’amener doucement au champ  magnétique record de 11,7 teslas, unique aujourd'hui pour un aimant de cette taille. Fingers crossed car d'ici un an environ, ce projet unique au monde permettra d’obtenir des images du cerveau humain avec une précision jamais atteinte.

 "C'est une grande joie de fêter avec les équipes la fin de la construction de cet aimant , une prouesse en soi, avant la prochaine étape à Saclay: la montée en champ! Félicitations à tous pour cette belle réalisation !" témoigne Anne-Isabelle Etienvre, directrice de l'Irfu.

"Vous avez tous réalisé un travail remarquable dont j'ai mesuré toute l'ampleur au cours de cette cérémonie. On m'a beaucoup parlé de cet aimant depuis mon arrivée au CEA il y a 4 ans, le voir en vrai c'est autre chose ! Les équipes de NeuroSpin et de l'institut Frédéric Joliot attendent maintenant avec impatience (et beaucoup d'espoirs) ce magnifique aimant à NeuroSpin, sur lequel nous allons continuer à collaborer avant de pouvoir faire les premières images ...." Alix De La Coste, directrice adjointe de la DRF.

L’ESS (European Spallation Source) dont la construction a démarré en 2013 à Lund en Suède, sera la source de spallation la plus puissante au monde. Dans le cadre de ce projet, l’Irfu vient de livrer ses deux premières contributions : un diagnostic optique et un émittancemètre. En effet, il est indispensable de contrôler différents paramètres dont la pureté du faisceau ainsi que sa vergence qui sont tous deux sous la responsabilité de l’Irfu. L’institut a donc été en charge de la construction de deux émittancemètres et d’un diagnostic optique. Ce dernier mesure la pureté du faisceau grâce au décalage Doppler. Les différentes espèces d’ions ont une énergie identique mais pas la même masse, donc des vitesses différentes, ce qui génère des décalages Doppler en fonctions des types d’ions. La pureté attendue est de l’ordre de 80% ce qui a été obtenu lors des tests à Catane. Le deuxième contrat de l’Irfu concerne le développement d'émittancemètres qui contrôlent la vergence du faisceau. Ils viennent de terminer leur dernière session de tests en janvier 2016 démontrant de très bonnes performances. La livraison de ces diagnostics et le succès des « Acceptance Tests » par l’ESS permettent de clore deux contrats signés entre le CEA et l'ESS dans le cadre de la contribution en nature de la France à cette source de neutrons.

L’instrument Desi (Dark Energy Spectroscopic Instrument) analysera la lumière émise par 35 millions de galaxies et quasars à plusieurs moments du passé de l’Univers et jusqu’à 11 milliards d’année, pour mieux cerner l’énergie noire. Son passage en phase de construction en 2016 couronne plusieurs années de recherche et développement qui ont abouti à un design solide et une stratégie d’observation crédible. L’Irfu, partenaire du projet depuis la première heure, y a tenu toute sa place. Retour sur une année qui a vu le projet devenir réalité.

Une nouvelle phase commence pour DESI

Depuis plus de 10 ans maintenant, les physiciens et ingénieurs de l’Irfu ont développé à Saclay l’appareillage nécessaire pour l’expérience GBAR, conçue pour tester le comportement de l’antimatière sous gravité terrestre. Une étape importante vient d’être franchie avec le montage au Cern d’une nouvelle source de positons utilisant sur un linac à électrons, et le transport au Cern du système de piégeage des positons construit à Saclay.

La nouvelle source a produit ses premiers positons le 17 novembre 2017. L’installation des pièges est en cours, pour être opérationnels lors de l’arrivée des antiprotons, prévue pour le printemps 2018.

Début août 2017, le dipôle FRESCA2, conçu et réalisé en collaboration entre l’Irfu et le CERN, a atteint le champ de 13,3 T au centre de l’ouverture de 100 mm lors des tests effectués dans la station d’essai HFM au CERN. C’est un nouveau record mondial, avec une énergie stockée de 3 MJ/m et des forces mécaniques jamais atteintes dans ce type d’aimant. Cet électroaimant a été étudié pour donner une homogénéité de champ magnétique de l’ordre du pourcent sur une longueur de 540 mm.

Lors d’un premier refroidissement à 1,9 K, l’aimant dipôle FRESCA2b a atteint un champ de 13,04 T à 10,6 kA après deux quenchs [1] et ce champ a été maintenu dans l’aimant pendant une heure. Si seulement deux essais ont pu être réalisés à 4,5 K, compte-tenu du temps disponible, ils ont montré deux quenchs à des valeurs très proches du champ nominal (12,98 T). Après un cycle thermique (remontée à la température de 280 K et deuxième refroidissement à 1,9 K), l’aimant a atteint le champ de 13,3 T à 10,85 kA sans quench additionnel. Cette valeur correspond à 71 % de la valeur maximale atteignable sur la ligne de charge de l’aimant. A 13 T, l’aimant a montré un fonctionnement stable pendant quatre heures. La station de test est à présent en maintenance, et les tests devraient reprendre en octobre pour explorer les limites d’opération du nouvel aimant.

Après 8 ans de construction et de tests, XFEL, le Laser européen à électrons libres démarre officiellement son exploitation et sera inauguré le 1er septembre à Hambourg (Allemagne). Onze pays ont participé à la construction de cette infrastructure pour un budget total de 1,2 G€. En France l'Irfu et l'IN2P3 ont joué un rôle de premier plan dans la conception et la construction de l’accélérateur linéaire d’électrons nécessaire pour produire une lumière ultra-brillante dans la gamme des rayons X. Cette nouvelle infrastructure de recherche ouvre de nombreuses opportunités pour les scientifiques européens en physique, biologie et sciences des matériaux dans les années à venir. La première lumière laser a été produite en mai 2017. Les utilisateurs de la machine pourront commencer leurs expériences dans les prochaines semaines.

Les équipes du DACM et du DIS ont réalisé un champ magnétique record de 4,52 teslas au centre d’un dipôle prototype bobiné avec un matériau supraconducteur à haute température critique lors d’essais en bain d’hélium liquide. C'est 1 tesla de plus que le dernier record connu pour un dipôle du même type.

Ce dipôle est la première étape vers l’utilisation des supraconducteurs à haute température critique (HTS) pour les aimants d’accélérateurs. Il a comme objectif de démontrer l’utilisation possible d'un ruban céramique HTS de type REBCO pour générer un champ additionnel de 5 T à 4,2 K dans le champ de 13 T du dipôle Nb₃Sn FRESCA2, et obtenir un champ total de 18 T.

La conception de cet aimant a commencé dans le cadre du programme européen EuCARD (European Coordination for Accelerator Research and Development), en collaboration avec le CNRS de Grenoble, l’INFN de Milan, l’Université de Tampere et le CERN. Ella a été poursuivie et complétée dans le cadre du premier contrat de collaboration CERN/CEA sur les aimants supraconducteurs pour les accélérateurs du futur. Le design de l’aimant a ainsi pu être amélioré et le prototype réalisé par les agents du Laboratoire d’Etudes des Aimants Supraconducteurs (LEAS) à Saclay de 2014 à 2016.

Les tests de l’aimant ont débuté en avril 2017, dans la station d’essai Séjos du Laboratoire de Cryogénie et Stations d’Essais (LCSE). Une première campagne d’expériences à 77 K, en azote gaz, puis en bain d’azote liquide, a permis de vérifier les performances du câble supraconducteur tout en restant à des valeurs réduites d’énergie stockée. Au delà du courant nominal de 295 A, ces essais à 77 K ont été poussés jusqu'à 320 A.

Les tests ont repris après le refroidissement de l’aimant à une température proche de celle de l’hélium liquide. A cette température, le courant nominal nécessaire pour produire un champ central de 5 T est de 2800 A. Les performances de l’aimant ont d’abord été testées en hélium gaz, conditions pour lesquelles une transition de l’aimant est plus facilement détectable. Le courant de l’aimant a été progressivement augmenté jusqu’à une valeur maximale de 2500 A. A cette valeur, une induction magnétique de 4,3 T a été mesurée par les sondes de hall placées au centre de l’aimant.

Les tests se sont poursuivis en bain d’hélium liquide à 4,2 K. Le courant dans l’aimant a été limité à 2600 A valeur maximale de l’alimentation de puissance utilisée. Aucun signe de transition des rubans supraconducteurs n’a été détecté. L’induction magnétique mesurée au centre de l’aimant était de 4,52 T.

L’ajout d’un nouveau module de puissance, disponible mi-septembre, doit permettre d’atteindre voire dépasser le courant nominal de 2800 A.

Ces tests préliminaires permettront aussi de valider l’ensemble des codes développés dans le cadre des études de l’aimant et de la R&D HTS, notamment pour les problèmes intrinsèques aux supraconducteurs HTS (quench de l’aimant, magnétisation, courants d’écrantages).

Le 6 juillet 2017, en présence de Daniel Verwaerde, administrateur général du CEA, André Syrota, conseiller de l'administrateur général, Claire Corot, directrice recherche et innovation chez Guerbet, Serge Ripart, directeur imagerie chez Siemens Healthcare France, et Gilles Bloch, président de l'Université Paris-Saclay, l'aimant géant de 132 tonnes du projet Iseult a intégré officiellement l’infrastructure de recherche NeuroSpin du centre CEA de Paris-Saclay (Essonne). Cet objet de très haute technologie, qui constitue l’élément principal du scanner IRM (Imagerie par Résonance magnétique) le plus puissant au monde destiné à l’imagerie du cerveau humain, produira un champ magnétique de 11.75 teslas, soit près de 230000 fois le champ magnétique terrestre. Pour atteindre ce niveau de champ magnétique, les ingénieurs chercheurs du CEA ont dû concevoir un aimant supraconducteur hors norme!

Vous revivrez l'aventure de cet aimant sous ce lien.

Le Cern a inauguré aujourd’hui un tout nouvel accélérateur linéaire, le Linac 4. Conçue avec la contribution française du CEA/Irfu et du CNRS, cette machine est la dernière construite depuis le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Elle deviendra, à son entrée en service en 2020, le nouveau premier maillon de la chaîne d'accélérateurs du Cern. Elle fournira des faisceaux de protons à de nombreuses expériences et permettra au LHC d'atteindre une luminosité plus élevée.

Les injecteurs sont des maillons essentiels dans le complexe accélérateurs : c’est là que les particules produites reçoivent l'accélération initiale. Ils définissent la densité et l'intensité des faisceaux de particules. À 12 mètres sous terre et d’une longueur de 90 mètres, le Linac 4 (linear accelerator 4) aura été construit sur 10 ans. Après une période intensive de tests, il sera relié au complexe des accélérateurs du Cern lors du prochain long arrêt technique, en 2019-2020 et remplacera le Linac 2, en service depuis 1978, pour la production des faisceaux de protons.

Ce mardi 18 avril 2017, les équipes de l’aimant du projet Iseult du CEA et de GE se sont réunies à Belfort pour fêter l’aboutissement de leur travail commun. Après six années de construction jalonnées de sueurs froides et de moments de fierté, ce bijou de technologie pesant près de 130 tonnes est soumis à d’ultimes tests avant de débuter son grand voyage vers Neurospin. Une fois installé à Saclay de nombreuses et délicates opérations l'attendent encore:  il faudra l’équiper pour qu’il devienne un aimant de scanner IRM, le brancher à son système cryogénique et l’amener doucement au champ  magnétique record de 11,7 teslas, unique aujourd'hui pour un aimant de cette taille. Fingers crossed car d'ici un an environ, ce projet unique au monde permettra d’obtenir des images du cerveau humain avec une précision jamais atteinte.

 "C'est une grande joie de fêter avec les équipes la fin de la construction de cet aimant , une prouesse en soi, avant la prochaine étape à Saclay: la montée en champ! Félicitations à tous pour cette belle réalisation !" témoigne Anne-Isabelle Etienvre, directrice de l'Irfu.

"Vous avez tous réalisé un travail remarquable dont j'ai mesuré toute l'ampleur au cours de cette cérémonie. On m'a beaucoup parlé de cet aimant depuis mon arrivée au CEA il y a 4 ans, le voir en vrai c'est autre chose ! Les équipes de NeuroSpin et de l'institut Frédéric Joliot attendent maintenant avec impatience (et beaucoup d'espoirs) ce magnifique aimant à NeuroSpin, sur lequel nous allons continuer à collaborer avant de pouvoir faire les premières images ...." Alix De La Coste, directrice adjointe de la DRF.

L’ESS (European Spallation Source) dont la construction a démarré en 2013 à Lund en Suède, sera la source de spallation la plus puissante au monde. Dans le cadre de ce projet, l’Irfu vient de livrer ses deux premières contributions : un diagnostic optique et un émittancemètre. En effet, il est indispensable de contrôler différents paramètres dont la pureté du faisceau ainsi que sa vergence qui sont tous deux sous la responsabilité de l’Irfu. L’institut a donc été en charge de la construction de deux émittancemètres et d’un diagnostic optique. Ce dernier mesure la pureté du faisceau grâce au décalage Doppler. Les différentes espèces d’ions ont une énergie identique mais pas la même masse, donc des vitesses différentes, ce qui génère des décalages Doppler en fonctions des types d’ions. La pureté attendue est de l’ordre de 80% ce qui a été obtenu lors des tests à Catane. Le deuxième contrat de l’Irfu concerne le développement d'émittancemètres qui contrôlent la vergence du faisceau. Ils viennent de terminer leur dernière session de tests en janvier 2016 démontrant de très bonnes performances. La livraison de ces diagnostics et le succès des « Acceptance Tests » par l’ESS permettent de clore deux contrats signés entre le CEA et l'ESS dans le cadre de la contribution en nature de la France à cette source de neutrons.

Le projet européen E-Xfel (European X-ray Free Electron Laser) vient de passer un cap important : la mise en place de l’ensemble des modules servant à l’accélération des électrons et les premiers tests de fonctionnement. C’est l’aboutissement de 10 années de travail fourni par l’Irfu qui a livré 103 cryomodules après leur intégration au sein de l’infrastructure dédiée du Village XFEL à Saclay. Ces derniers ont passé les tests affichant une performance excellente. L’ensemble de l’accélérateur d’un kilomètre et demi est maintenant installé et prêt à fonctionner à sa température opérationnelle de 2K. Un premier faisceau d’électrons a été accéléré sur un tronçon des 17 premiers cryomodules puis a parcouru l’ensemble de l’accélérateur linéaire.