L’IN2P3 mène ses expérimentations dans trois grands domaines scientifiques :

• la physique des particules et hadronique, qui s’intéresse aux composants les plus élémentaires de la matière (les quarks, les leptons et les bosons) et à leurs interactions
•  la physique et astrophysique nucléaire, qui étudie la structure et la dynamique des noyaux atomiques et apporte ainsi des éléments essentiels au modèle astrophysique de formation des étoiles ainsi qu’à un grand éventail d’applications
•  la physique des astroparticules et la cosmologie, qui observent l’Univers à partir des différents messagers cosmiques (photons, rayons cosmiques, neutrinos, ondes gravitationnelles) et qui tentent d’en comprendre la dynamique et l’évolution depuis ses origines jusqu’à aujourd’hui

Pour cela, l’IN2P3 s’appuie sur d’intenses développements technologiques autour de trois domaines clés :

• les accélérateurs, instruments qui génèrent et accélèrent des faisceaux de particules ou de noyaux atomiques, pour ensuite les entrechoquer où les propulser contre des cibles

•  les détecteurs qui selon leur nature servent à identifier et caractériser (masse, vitesse, énergie, origine) les produits générés par les collisions ou émis par les phénomènes cosmiques

•  le calcul et les données, pour le traitement, le stockage et l’exploitation des énormes flux de données générés par les expériences scientifiques

À la croisée de l’ensemble de ces disciplines scientifiques et celles d’autres sciences, l’IN2P3 mène des projets de recherche interdisciplinaires dans les domaines de l’énergie, de l’environnement et de la santé. Ces travaux se structurent autour de 5 axes principaux :

• les filières et techniques innovantes de production d’énergie nucléaire
•  les techniques nucléaires innovantes pour la santé
•  les radionucléides dans l’environnement
•  la synthèse de noyaux et de matière organique dans l’Univers
•  les techniques nouvelles d’imagerie de la Terre et pour l’archéologie

Des avancées et découvertes majeures pour la connaissance

Depuis sa fondation en 1971, l’IN2P3 a participé aux grandes découvertes de la physique des deux infinis. Parmi les plus récentes, il y a celle du boson de Higgs en juillet 2012, dernier maillon identifié du monde des particules élémentaires, ou encore la première détection directe des ondes gravitationnelles qui signait en février 2016 la naissance d’une nouvelle astronomie des phénomènes les plus intenses de l’univers et l’avènement d’une nouvelle sonde de la matière. Ses scientifiques ont également contribué à la découverte de l’accélération de l’expansion de l’Univers, qui semble liée à une nouvelle forme d’énergie, « l’énergie noire ». Parties prenantes de la mission spatiale Planck, ils et elles ont aussi observé avec une précision jamais atteinte le fond diffus cosmologique, sorte de lumière relique des premiers instants de l’univers. L’institut joue également un rôle important dans la recherche de la matière noire, matière dont on mesure les effets mais qui à ce jour n’a pas été identifiée. Il tire pour cela avantage de ses installations souterraines en Savoie et d’autres laboratoires souterrains à l’étranger. En physique des neutrinos, l’IN2P3 s’est illustré avec des expériences auprès de réacteurs nucléaires, dont la dernière, Double Chooz, a contribué à la mesure du dernier paramètre des oscillations des neutrinos. Avec l’accélérateur du GANIL à Caen, des chercheurs et chercheuses français ont également observé des indications de la production de nouveaux éléments super-lourds.

Structuré pour des recherches de très grande envergure

L’exploration de la physique des deux infinis nécessite des moyens de grande envergure. C’est pourquoi l’institut structure autour de grands projets communs un nombre restreint de laboratoires et de plateformes de recherche spécialisées. Pour financer ses grands instruments de recherche, l’institut reçoit le soutien direct dans le cadre des très grandes infrastructures de recherche (TGIR). Ces investissements étant très souvent au-delà de la portée d’un seul pays, ils passent par le montage de collaborations internationales dans lesquelles les moyens financiers et humains sont partagés ainsi que les compétences et les savoirs mutualisés. Les principales grandes infrastructures actuellement utilisées par l’institut sont :

• le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et ses quatre expériences au CERN, ATLAS, CMS, ALICE et LHCb pour la recherche de nouvelle physique, la compréhension de l’asymétrie matière-antimatière et l’étude de la matière noire
•  l’observatoire EGO-Virgo pour améliorer la compréhension de la gravité par l’étude détection des ondes gravitationnelles
•  le Grand accélérateur national d’ions lourds (GANIL), avec ces cyclotrons et son accélérateur linéaire, qui permettent d’explorer les limites de la stabilité des noyaux atomiques et produire des états exotiques de la matière
•  le CC-IN2P3 : un centre de calcul disposant de plusieurs milliers de serveurs et de 340 Pétaoctets de stockage, relié aux principales expériences de physique pour en collecter les données et les garder en accès libre pour les chercheurs et chercheuses.

 Retrouvez ci-dessous la liste complète des grands instruments en fonctionnement et en cours de construction auxquels l’IN2P3 participe.

CNRS Nucléaire & Particules dans le monde

Aperçu des principaux laboratoires partenaires et des projets de recherche internationaux auxquels contribue l'institut.

--> Cliquer sur l'image pour l'agrandir

Image : Hervé Bouilly pour CNRS Nucléaire & Particules

Les principaux instruments utilisés par les scientifiques de l’IN2P3 sont :

• Le LHC au CERN à Genève : cet accélérateur et collisionneur de hadrons de 27 km de diamètre et équipé de 4 détecteurs géants ALICE, ATLAS, CMS et LHCb, a permis la découverte du boson de Higgs.

• GANIL à Caen : un accélérateur dédié à l’étude des noyaux atomiques entré en service en 1983, et modernisé depuis 2019 avec un accélérateur linéaire supraconducteur de haute énergie, LINAC SPIRAL2, entré en service en 2021 et plusieurs hall qui y sont rattachés : la salle de neutronique NFS ouverte en 2022, le spectromètre S3 pour isoler des isotopes très rares (démarrage attendu en 2025), le hall DESIR pour l'étude des propriétés des noyaux radioactifs en cours de construction et la nouvelle source d'ions Newgain pour varier la nature des ions accélérés dans le LINAC.

• EGO-VIRGO, à Pise en Italie : un détecteur d’ondes gravitationnelles muni de deux bras longs de 3km pour percevoir les infimes déformations de l’espace temps générées par des fusions de trous noirs ou d’étoiles à neutrons.

• Le détecteur BELLE-2 auprès de l’accélérateur KEK au japon, un ensemble accélérateur/détecteur de particules dédié à l’étude des mésons B, des duos quark/antiquark potentiellement révélateurs de nouvelle physique.

• L’expérience T2K au Japon : une expérience consacrée aux neutrinos qui met en œuvre un accélérateur de particules pour générer les neutrinos et deux détecteurs, l’un proche et un second, Super Kamiokande, à 300 km de distance.

• Les détecteurs AEGIS et GBAR au CERN : des expériences sur l’influence de la gravité sur les antiparticules.

• Les détecteurs XENON et EDELWEISS : des expériences de détection de la matière noire sous sa forme de WIMP, dans les laboratoires souterrains de Modane (EDELWEISS) et Gran Sasso (XENON) en Italie.

• Le détecteur SuperNEMO : une expérience pour tenter d’observer une double désintégration béta sans émission de neutrinos qui serait synonyme de nouvelle physique, dans le Laboratoire souterrain de Modane.

• Le détecteur AUGER en Argentine : un observatoire de 300 km2 dédié à l’observation des rayons cosmiques d’ultra haute énergie.

• Le télescope HESS en Namibie : un réseau d’antennes dédiées à l’observation des rayons gamma de haute énergie.

• Le télescope spatial EUCLID, de l'Agence spatiale européenne, dont le lancement a eu lieu en juillet 2023. Son objectif principal l'étude de l'énergie noire, en utilisant deux techniques complémentaires: les effets de lentilles gravitationnelles et l'étude de la distribution des galaxies dans l'Univers.

• Le satellite franco-chinois SVOM destiné à l'étude des sursauts gamma, des bouffées de rayonnement de très haute énergie produites par des fusions de trous noirs ou des explosions d'étoiles. Lancé en juin 2024.

Plusieurs grands instruments sont par ailleurs en construction ou subissent une jouvence d’envergure :

• Le Grand collisionneur de hadron haute luminosité (HL-LHC) et ses détecteurs
   Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) prévoit une augmentation significative du taux de collisions produites, ce qui nécessite un important programme d’amélioration des détecteurs d’ici fin 2027. Cette transformation sera l’occasion d’étudier très finement les caractéristiques du boson de Higgs.  

• Cherenkov Telescope Array (CTA)
  Ce réseau de télescopes observera le ciel dans le domaine des rayons gamma, comme actuellement l’observatoire HESS, en Namibie. CTA prévoit une centaine de télescopes partagés entre un site nord sur les Canaries et un site sud au Chili. Les observations débuteront en 2026 sur le site nord.

• Large Synoptic Survey Telescope (LSST)
  À partir de 2025, LSST entamera un relevé complet et périodique du ciel austral, à raison d’une image complète tous les 3 jours. Il balayera ainsi le ciel quelques 800 fois en dix ans, réalisant le premier film de la dynamique à grande échelle de l’univers. Ses domaines d’étude seront principalement la matière et l’énergie noires.

• Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT) 
  Ce projet de télescope à neutrinos sous-marin, sera à terme déployé sur deux sites méditerranéens par plus de 2000m de fond, l’un proche de la Sicile (ARCA) et l’autre de Toulon (ORCA). Le déploiement des premières lignes françaises d’ORCA a démarré en 2017 et se poursuivra progressivement dans les années à venir. Le télescope étudiera notamment la hiérarchie en masse des trois familles de neutrinos. 

• Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)
  Le projet américain DUNE utilisera une source de neutrinos et deux détecteurs, l’un proche et l‘autre distant de 1300 km pour étudier finement les neutrinos. Une meilleure connaissance de ces particules pourrait apporter des éléments clés sur l’asymétrie matière/antimatière constatée dans l’univers. Son démarrage est prévu vers 2028.

• Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)
  En construction à Jiangmen (dans le Sud de la Chine), JUNO est une expérience polyvalente dédiée à la détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos et à la mesure précise des paramètres d'oscillation des neutrinos. Démarrage programmé en 2025.

• Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)
  En construction au Centre de recherche sur les ions lourds (GSI) à Darmstadt en Allemagne, FAIR est un projet d’accélérateur d’ions et d’antiprotons à haute énergie pour étudier la matière. Son démarrage est attendu en 2025.

• LISA (Laser Interferometer Space Antenna)
  Un satellite de l’Agence spatiale européenne (ESA) dont le lancement est programmé pour 2035. Il sera le premier observatoire spatial d’ondes gravitationnelles.

Carte des implantations nationales et internationales de CNRS Nucléaire & Particules

--> Cliquer sur la carte pour l'agrandir

Image : Hervé Bouilly pour CNRS Nucléaire & Particules

Les laboratoires

Les plateformes nationales

 Les IRL (International research laboratory)

Actuellement, l'IN2P3 coordonne et anime onze groupements de recherche :

• Modélisation en instrumentation pour l'imagerie biomédicale (MI2B) - Fiche PDF et site web

• Intensity frontiers (InF) - Fiche PDF et site web

• Ondes gravitationnelles - Fiche PDF et site web

• Sciences nucléaires pour l'énergie et l'environnement (SciNEE) - Fiche PDF et site web

• Réactions, structure et astrophysique nucléaires : expériences et théories (RESANET) - Fiche PDF et site web

• Accélérateurs plasma pompés par laser (APPEL) - Fiche PDF et site web

• Chromodynamique quantique (QCD) - Fiche PDF et site web

• Deep underground physics (DUPhy) - Fiche PDF et site web

• Cosmological physics (CoPhy) - Fiche PDF et site web

• Détecteurs et instrumentations aux deux infinis (DI2I) - Fiche PDF et site web

• Sciences of particle accelerators (SciPac) - Fiche PDF et site web