Recherche

Pour sonder l’infiniment petit et l’infiniment grand, la recherche à l’IN2P3 se structure autour de grands instruments tels que des accélérateurs ou des détecteurs de particules, des grands télescopes ou des satellites développés et opérés au sein de grandes collaborations internationales. Ses chercheurs et chercheuses tentent de répondre à trois grandes questions fondamentales : Quels sont les constituants fondamentaux du monde subatomique et comment interagissent-ils ? Comment se structure la matière nucléaire ? De quoi est fait l’Univers et comment évolue-t-il ?

Un acteur majeur dans la recherche des deux infinis

À la pointe de la recherche en physique nucléaire, physique des particules et des astroparticules, et en cosmologie, l’IN2P3 est pilote ou acteur majeur des principales infrastructures de recherche en physique des deux infinis nationales et internationales.

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.

Histoire de l’essor de la physique des particules en France

Retour sur l’histoire de la physique des particule et de la physique nucléaire en France, depuis le laboratoire de Pierre et Marie Curie à Paris, en passant par la construction européenne du CERN jusqu’à la vingtaine de laboratoires que compte aujourd’hui l’IN2P3. https://in2p3.cnrs.fr/in2p3/fr/cnrsinfo/lessor-de-la-physique-des-particules-en-france

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.

 

 

Une recherche structurée autour de grands instruments scientifiques

Les recherches conduites par l’IN2P3 nécessitent la mise en œuvre d’instruments colossaux et extrêmement sophistiqués sur des temps très longs, nécessitant parfois plusieurs dizaines d’années de préparation avant le début des mesures. Les expériences durent ensuite des années, ce qui constitue une caractéristique forte de nos disciplines. Ces projets sont le plus souvent à dimension européenne ou internationale.

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 supraconducteur haute énergie, SPIRAL2 en cours de mise en service. 

  • 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.

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 dès 2021.

  • Large Synoptic Survey Telescope (LSST)
     À partir de 2022, 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. 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 2026.

  • 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 2021.

  • 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.

  • Télescope spatial EUCLID
    Euclid est un télescope spatial de l'Agence spatiale européenne (ESA), dont le lancement est planifié pour 2022. 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.

  • LISA (Laser Interferometer Space Antenna)
    Un satellite de l’Agence spatiale européenne (ESA) dont le lancement est programmé pour 2032. Il sera le premier observatoire spatial d’ondes gravitationnelles.

Un ancrage fort sur les grands campus nationaux

L'IN2P3 regroupe et pilote actuellement une vingtaine de laboratoires et plateformes nationales de recherche, la plupart du temps en partenariat avec des universités, des grandes écoles ou des organismes de recherche français.

Les laboratoires

Sigle

Intitulé

Ville

Direction

Code

APC

Astroparticule et cosmologie 

Paris

Antoine Kouchner

UMR7164

CENBG

Centre d'études nucléaires de Bordeaux Gradignan   

Bordeaux - Gradignan

Fabrice Piquemal

UMR5797

CPB

Centre Pierre Binétruy

Berkeley

Radoslaw Stompor

UMI2007

CPPM

Centre de physique des particules de Marseille

Marseille

Cristinel Diaconu

UMR7346

IJCLab

Laboratoire de physique des 2 infinis - Irène Joliot-Curie

Orsay

Achille Stocchi

UMR 9012

IP2I

Institut de physique des 2 infinis 

Lyon

Anne Ealet

UMR5822

IPHC

Institut pluridisciplinaire Hubert Curien  

Strasbourg

Rémi Barillon

UMR7178

L2IT

Laboratoire des 2 infinis de Toulouse 

Toulouse

Jan Stark

UMR5033

LAPP

Laboratoire d’Annecy de physique des particules

Annecy

Giovanni Lamanna

UMR5814

LLR

Laboratoire Leprince-Ringuet 

Palaiseau

Yves Sirois

UMR7638

LPC

Laboratoire de physique de Clermont

Clermont-Ferrand

Dominique Pallin

UMR6533

LPCC

Laboratoire de physique corpusculaire de Caen

Caen

Gilles Ban

 UMR6534

LPNHE

Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies   

Paris

Marco Zito

UMR7585

LPSC

Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie  

Grenoble 

Arnaud Lucotte

UMR5821

LUPM

Laboratoire Univers et particules de Montpellier 

Montpellier  

Denis Puy

UMR5299

Subatech

Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées   

Nantes

Ginés Martinez

UMR6457

Les plateformes

EGO

European Gravitational Observatory

Pise

Stavros Katsanevas

 

CCIN2P3

Centre de Calcul IN2P3

Villeurbane

Pierre-Etienne Macchi

USR6402

GANIL

Grand Accélérateur National d’Ions Lourds

Caen

Navin Alahari

UPR3266

LMA

Laboratoire des matériaux avancés

Lyon

Laurent Pinard

 

LNCA

Laboratoire neutrinos Champagne Ardenne

Rancennes

Anatael Cabrera Serra

UMS326

LSM

Laboratoire souterrain de Modane

Modane

Jules Gascon

 

LSPM

Laboratoire sous-marin Provence Méditerranée

Marseille

Paschal Coyle

 

OMEGA

Organisation de microélectronique générale avancée

Palaiseau

Christophe de la Taille

UMS3605

MC

Musée Curie

Paris

Renaud Huynh

UMS6425

Des plateformes spécialisées pour une recherche de pointe

Dans le cadre de la mise en commun de ses ressources, et pour en renforcer la visibilité, l’IN2P3 a labellisé des « plateformes de recherche » au sein de ses laboratoires, en particulier les accélérateurs de particules. Ces plateformes offrent des ressources de haut niveau (équipements et moyens humains) pour conduire une recherche de pointe. Ouvertes à des équipes extérieures, elles permettent également des recherches interdisciplinaires dans les domaines de la santé, de l’énergie, de l’environnement, des matériaux, etc.

Plateforme

Laboratoire

Ville

Responsable opérationnel

Spécialité

AIFIRA

CENBG

Bordeaux

Stéphanie Sorieul

Production de faisceaux d’ions légers (H+, D+, He+) pour l’analyse  chimique, la caractérisation et l’irradiation de matériaux à différentes  échelles, du millimètre à la centaine de nanomètres.

ALTO

IJCLab

Orsay

Abdelhakim Said

Production de faisceaux d’ions stables du proton aux agrégats, et de faisceaux d’ions radioactifs, pour des études de physique nucléaire, d’astrophysique et pluridisciplinaire. 

ANDROMEDE

IJCLab

Orsay

Jean Lesrel

Production de faisceaux dans une très grande gamme de masse, du proton aux nanoparticules d’or pour la préparation et l’analyse de surfaces nano-structurées, la modification de matériaux, l’étude de phénomènes biologique et astrophysiques.

ARRONAX

 

Nantes

Julien Orsonneau

Cyclotron multi-faisceaux capable de fournir des protons et des particules α, pour la production de radionucléides pour l'imagerie médicale et la radiothérapie, la recherche en médecine, chimie et physique.

CYRCE

IPHC

Strasbourg

Michel Pellicioli

Production de radio-isotopes pour l’imagerie nucléaire (18F, 64Cu, 89Zr)  et la production de molécules marquées pour le diagnostic, le suivi ou  le traitement médical.

FACe

APC

Paris

Cécile Cavet

Centre François Arago : centre de calcul et de stockage, accès au CC-IN2P3, logiciels d’analyse, mise à disposition de bureaux.

GENESIS

LPSC

Grenoble

Benjamin Cheymol

Production de neutrons d’énergie 3.1  MeV et 15.2 MeV pour la physique ou pour des prestations d’irradiation.

MUST

LAPP

Annecy

Frédérique Chollet Le Flour

Centre de calcul et de stockage pluridisciplinaire.

SCALP

IJCLab

Orsay

Cyril Bachelet

Irradiation/implantation de 35 éléments chimiques différents avec analyse in situ des modifications par de nombreuses techniques.

SCIGNE

IPHC

Strasbourg

Jérôme Pansanel

Services pour le calcul et le stockage des données scientifiques.

SUPRATECH

IJCLab

Orsay

Richard Martret

R&D sur les cavités accélératrices supraconductrices ayant vocation à composer les futurs accélérateurs de particules de haute énergie et de forte puissance.

Virtual Data V

IJCLab

Orsay

Guillaume Philippon

Centres de stockage de données, grille de calcul, simulation, calcul massif.

Des groupements de recherche pour fédérer les équipes scientifiques

Les Groupements de Recherche (GDR) fédèrent au niveau national des chercheurs CNRS de différents laboratoires, disciplines et spécialités autour d’une thématique commune. Ces structures ont pour vocation de faire émerger ou d’investiguer de nouvelles idées et initiatives de recherche.