L’exposition de photos et d’illustrations intitulée « Le monde des particules » est installée sur les grilles du campus Peixotto à Talence.

Il s’agit de la troisième exposition proposée par l’équipe Culture science avec et pour la société de l’université de Bordeaux.

Ce dispositif s’inscrit à la croisée des arts photographique, littéraire et de l’illustration pour mettre en lumière la recherche en physique des particules, cette branche de la physique qui étudie les constituants les plus élémentaires de la matière et leurs interactions qui régissent les lois fondamentales de l’Univers.

L’exposition présente des photographies des instruments les plus aboutis que cette communauté scientifique construit tout autour du globe.

En quoi consiste le LabCom P2R ?

La réponse tient dans cette série d’acronymes : « LabCom » pour « laboratoire commun », soit un laboratoire mettant en commun les ressources d’une entreprise privée et d’un institut CNRS. Le LabCom P2R est donc une structure administrative unissant le LP2I Bordeaux à Carmelec, une PME perpignanaise spécialisée dans la radioprotection pour le secteur nucléaire. Elle est physiquement matérialisée par la mise à disposition d’un espace dédié au sein de nos locaux de Bordeaux. Et il a pour objet la physique des particules pour la radioprotection, dont nous avons tiré l’acronyme « P2R ». Autrement dit, nous menons à bien des projets de R&D répondant à des problématiques de radioprotection et de contrôle non destructif en exploitant les synergies et complémentarités entre le monde de l’entreprise et celui du laboratoire. Depuis 2012, ce lien particulier que nous cultivons avec Carmelec a été à l’origine de plusieurs innovations techniques au service de l’industrie du nucléaire civil comme de la physique des particules.

Le 17 novembre 2023, l’IN2P3 a signé avec les organismes et agences de financement de cinq autres pays et le CERN un accord avec le laboratoire Fermilab pour la construction de détecteurs de particules dans le cadre de l’expérience de physique des neutrinos DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). Prévue pour démarrer en 2029, l’expérience DUNE fera franchir un nouveau cap à l’étude des neutrinos et pourrait notamment expliquer pourquoi notre Univers est dominé par la matière plutôt que par l’antimatière.

L’expérience DUNE rassemble plus de 1400 scientifiques de plus de 200 institutions de recherche. Elle s’appuie sur un accélérateur de particules (PIP II) de 215 mètres de long, qui servira à produire un faisceau de neutrinos d’une intensité inégalée, dirigé depuis le complexe de Fermilab près de Chicago vers plusieurs détecteurs. Le détecteur proche est situé à Fermilab et les gigantesques détecteurs lointains souterrains sont eux situés 1300 kilomètres plus loin au Sanford Underground Research Laboratory (SURF) dans le Dakota du Sud.

Contact LP2i Bordeaux : Groupe Neutrino

Depuis une dizaine d’années, il est possible de bombarder avec des microfaisceaux de radiations très intenses des cibles à l’état liquide. Cette possibilité relativement nouvelle ouvre des perspectives importantes, notamment dans l’imagerie haute résolution appliquée à l’étude de la matière molle ou à la recherche en biologie. D’autres processus ont par ailleurs été découverts dans ces conditions d’irradiation, comme la formation de nanobulles d’H₂, la dégradation de polymères, ou la destruction de cellules biologiques. L’observation du comportement de la matière sous ce régime d’irradiation dans une cible liquide constitue une opportunité remarquable pour comprendre les processus physico-chimique à l’œuvre dans ces systèmes hors-équilibre.

Une expérience réalisée au GANIL avec le nouveau dispositif de détection ACTAR TPC a permis de développer une nouvelle technique de visualisation directe des trajectoires (en 3D) des protons émis par l’état isomérique du noyau ⁵⁴Ni ainsi que leur temps (4^e dimension) de décroissance. Cette observation représente un test unique des modèles théoriques, car elle permet de sonder des composantes extrêmement faibles des fonctions d’ondes qui décrivent la structure de ce noyau, et cette technique est envisagée pour mesurer d’autres décroissances similaires. Le résultat de cette expérience a fait l’objet d’une publication dans Nature Communications[1].

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-021-24920-0

La radioactivité proton de l’état isomérique de ⁵⁴Ni

Le phénomène de radioactivité par émission d’un proton est connu depuis 50 ans. Ce processus permet notamment de caractériser les limites de la table des noyaux atomiques. Dans le cas de ⁵⁴Ni, l’émission a lieu depuis un état isomérique (de spin 10⁺) : il s’agit d’un état particulier, métastable. La décroissance de cet état peut être comparée à celle d’un état équivalent dans le noyau ⁵⁴Fe, plus stable et mieux connu. Ces 2 noyaux sont dit « miroirs », car ils ont des nombres de neutrons et protons inversés, et présentent des propriétés très similaires en raison de la symétrie d’isospin, qui stipule que protons et neutrons sont équivalents (à l’exception de la charge électrique). Sur le plan théorique, le modèle en couches permet de décrire précisément l’état 10⁺ de ⁵⁴Fe, mais pas celui de ⁵⁴Ni, en raison de l’émission de proton qui n’avait pas pu être observée par les techniques habituelles.

L’observation complète des émissions de protons reportée dans cette article a permis de mettre en évidence, sur le plan théorique, que le processus est sensible à des composantes extrêmement faibles des fonctions d’ondes décrivant cet état.

Figure 1 : Dispositif ACTAR TPC installé en bout de la ligne LISE3 du GANIL. L’insert montre l’intérieur du dispositif, avec la cage servant à générer un champ électrique pour faire dériver le signal d’ionisation vers le plan de collection.

L’observation en 4D des protons émis

L’observation directe des protons de la décroissance de l’état isomérique de ⁵⁴Ni n’était pas possible avec les techniques de détection employées habituellement dans ce type d’expériences, utilisant des détecteurs solides en silicium. En effet, lorsque l’ion s’arrête le détecteur, il dépose une énergie environ 1000 fois plus grande que l’énergie du proton. Celui-ci est émis en moyenne 150 milliardièmes de secondes après l’implantation, ce qui rend impossible de distinguer le faible signal du proton de celui de l’ion.

L’utilisation d’ACTAR TPC pour la reconstruction en 3D des trajectoires a permis de contourner ce problème : le signal des protons, émis dans n’importe quelle direction, est mesuré sur des pixels du plan de collection différents de ceux qui collectent le signal d’implantation de l’ion (Figure 2).

En raison de la durée de vie de l’état étudié, le proton est émis alors que le signal de l’ion a déjà commencé à dériver vers le plan de collection. De ce fait, un décalage est observé (sur l’axe vertical qui est l’axe de projection temporelle) entre le point d’implantation de l’ion et le point d’émission du proton. Ce décalage permet alors de mesurer la durée de vie de l’état isomérique. En plus de la longueur des traces des protons qui est directement liée à leur énergie, la mesure de durée de vie vient compléter l’image complète de la décroissance de cet état, pour un test très poussé des modèles théoriques.

Le projet SYMBIOSE (SYstème de nettoyage de Métaux par BIO et Stérile Encapsulation) a été retenu par le Comité Scientifique et le Comité de Pilotage de CNRS-Innovations, et sera financé en 2022 pour une durée de 12 mois. Il vise à développer un bioréacteur à l’échelle du litre pour décontaminer des effluents aqueux pollués en métaux seuls ou en mélange.

Contact CENBG : Claire SERGEANT