Institut Laue-Langevin

L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien allemand) et Paul Langevin (physicien français) est un organisme de recherche international situé sur le polygone scientifique de Grenoble et qui a symbolisé lors de sa création en 1967, la réconciliation franco-allemande.

Pour les articles homonymes, voir ILL.

Cet institut spécialisé en sciences et technologies neutroniques exploite un réacteur à Haut Flux et son financement est assuré par treize pays. Œuvrant principalement dans le domaine de la physique des particules et de la médecine, il accueille chaque année 1 500 scientifiques en provenance de quarante pays, offrant les faisceaux de neutrons les plus intenses au monde ainsi qu'une quarantaine d'instruments scientifiques de haute technologie. Il ne sera égalé que par la future source European Spallation Source autour de 2025[2].

Histoire

À la suite de la signature du traité de l'Élysée de 1963[3], une convention intergouvernementale de coopération scientifique entre la France et l'Allemagne est signée le pour construire un réacteur nucléaire de recherche. Le site choisi symbolise la réconciliation franco-allemande puisque Grenoble est l'une des cinq communes françaises Compagnon de la Libération, encore marquée par ses actes de Résistance. De plus le nom de la rue des Martyrs dans laquelle doit s'installer l'édifice rappelle un charnier de 48 cadavres découverts en sur le polygone d'artillerie après le départ des troupes allemandes[4]. Les travaux démarrent en 1968 et l'année suivante voit la construction du réacteur. Mais le , le chantier est marqué par un tragique accident au cours duquel cinq ouvriers sont tués et deux autres gravement blessés dans l'effondrement partiel du toit[5]. Le chantier s'achève au milieu de l'année 1971 et le réacteur rentre pour la première fois en divergence le . Sa puissance est maximale le [6].

Le Français Louis Néel et l'Allemand Heinz Maier-Leibnitz ont une influence déterminante dans la conception et la réalisation de cet outil destiné à la recherche neutronique. Maier-Leibnitz prend la direction de l'institut en tandem avec le physicien français Bernard Jacrot jusqu'en 1972, première année d'utilisation du réacteur. À la mise en service en 1971, le sculpteur Jean-Robert Ipousteguy achève devant l'institut une sculpture monumentale appelée Homme forçant l'unité[7]. Après de très longues négociations, les deux pays fondateurs sont rejoints le par le Royaume-Uni.

L'institut Laue-Langevin.

En mars 1991, des fissures repérées sur des éléments en acier imposent l'arrêt du réacteur provoquant la décision du remplacement complet du réacteur. La cuve du réacteur de 7,7 mètres de haut est fabriquée en Allemagne et arrive à Grenoble début 1994 où elle est installée dans sa piscine profonde de 18 mètres. La divergence intervenant le [8]. Parallèlement, l'institut devient un peu plus européen avec des partenariats scientifiques se mettant en place avec d'autres États : Espagne en 1987, Suisse en 1988, Autriche en 1990, Italie en 1997, République tchèque en 1999, Suède en 2005, Belgique et Pologne en 2006, Danemark et Slovaquie en 2009. La Hongrie adhère de 2005 à 2013, l'Inde de 2011 à 2014.

Les chercheurs mettent en place au fil des années des dispositifs innovants visant à refroidir, chauffer ou comprimer les échantillons étudiés, mais également leur appliquer de puissants champs magnétiques [9].

Le , une cérémonie se déroule au World Trade Center Grenoble devant les ambassadeurs des États membres et du secrétaire d’État à la recherche Thierry Mandon, afin de célébrer le 50e anniversaire de la création de l'institut. L'occasion est donnée au président de la métropole, Christophe Ferrari, de préciser que l'ILL représente 600 publications scientifiques par an et que les 100 millions d'euros de son budget annuel sont injectés dans l'économie locale[10].

Lieu d'implantation

L'institut est implanté sur le polygone scientifique de Grenoble, d'où l'idée au milieu des années 2000 de créer le campus d'innovation GIANT (Grenoble Innovation for Advanced New Technologies). L'ILL est membre fondateur du partenariat grenoblois GIANT visant à faire de ce quartier le second campus grenoblois après celui du domaine universitaire de Grenoble installé à Saint-Martin-d'Hères. L'ILL est membre de l'institut de recherche technologique Nanoelec ainsi que d'EIROforum[11], une collaboration entre huit des plus grandes infrastructures de recherche européennes.

Campus européen

L'ILL partage son site avec l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF), le laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL) et l'Institut de biologie structurale (IBS). Ces quatre organismes dont trois européens composent l'European Photon and Neutron Science Campus.

Le , avec l'inauguration à l'ESRF voisin du cryo-microscope le plus performant au monde en termes de résolution, l'ILL dispose d'un outil capable d'étudier des molécules encore difficilement observables jusqu'alors et qui permettra de trouver des solutions contre les épidémies humaines[12].

En 2018, le directeur de l'Institut Laue-Langevin annonce un nouveau partenariat entre son institut, son voisin l'ESRF et l'entreprise allemande OHB-System spécialisée dans le domaine spatial. Les capacités de ces centres de recherche en matière de caractérisation des matériaux permettront à ce secteur de pointe de faire de grands progrès techniques[13].

Formation

En lien avec le synchrotron voisin, une formation annuelle est dispensée par l'université Grenoble-Alpes et l'Institut polytechnique de Grenoble aux étudiants, post-doctorants et scientifiques internationaux dans le domaine des neutrons, du rayonnement synchrotron ainsi qu'en physique de la matière condensée. Portant le nom d'Hercules, acronyme anglais de Higher European Research Course for Users of Large Expérimental Systems, cette formation théorique et pratique d'une durée d'un mois existe depuis 1991 et reçoit 80 étudiants formés par 150 enseignants pour comprendre et utiliser ces instruments très sophistiqués[14].

Programmes de modernisation

L'institut lance en 2000 un programme de modernisation de ses équipements et détecteurs appelé Programme Millenium. Dans un premier temps entre 2001 et 2008, six nouveaux instruments scientifiques sont installés et huit autres sont modernisés[15]. Dans un second temps entre 2008 et 2016, quatre nouveaux instruments sont installés et quatre autres modernisés[16]. L'ensemble de ces deux phases représente un budget de 75 millions d'euros et a permis d'augmenter le facteur d'efficacité des instruments d'un facteur 25[17]. En 2016, afin de maintenir le meilleur niveau de recherche mondial et d'offrir de nouvelles possibilités dans les domaines du magnétisme, de la science des matériaux, de la matière molle, de la biologie et de la physique des particules (spectroscopie gamma, neutrons ultra-purs), l'institut lance un nouveau plan de modernisation dénommé Endurance qui doit se dérouler en deux phases jusqu'en 2023[18].

Réacteur à Haut Flux (RHF)

Il comprend un réacteur de recherche, le Réacteur à Haut Flux[19] (RHF, INB n°67) d'une puissance de 58 MW, modéré à l'eau lourde, utilisé pour produire des faisceaux de neutrons. Ceux-ci permettent de sonder la matière avec un grand pouvoir de pénétration mais non destructif. Ils sont également sensibles au champ magnétique et aux atomes légers comme l’hydrogène, élément essentiel dans les recherches sur les échantillons biologiques ou les plastiques. C'est la source de neutrons la plus intense du monde et c'est donc un instrument scientifique de tout premier ordre pour la communauté internationale. Depuis fin 2015, sa sécurité est assurée par des drones y compris par temps de pluie ou avec des rafales de vent de 60 km/h[20].

Une quarantaine d'instruments scientifiques sont placés tout autour du cœur du réacteur, permettant des applications allant de la physique fondamentale à la biologie en passant par la cristallographie la chimie ou la science des matériaux.

Hall du réacteur.

L'Institut Laue-Langevin est un institut de service : son rôle premier est de fournir du temps de faisceau de neutrons aux scientifiques utilisateurs, de passage pour leurs expériences. Ceux-ci obtiennent ce temps de faisceau, la mise à disposition du matériel adéquat, et l'expertise des scientifiques et techniciens sur place, après acceptation de leur proposition d'expérience par un comité d'experts scientifiques. Une expérience sur deux environ étant retenue.

Plus de 90 % des expériences sont réalisées par des chercheurs venant d'un institut, centre de recherche ou université de l'un des pays finançant l'institut. La sélection des expériences est effectuées sur la base de la qualité des propositions par un comité international. La part de la France est d'environ un tiers.

Les scientifiques de l'ILL ont un triple rôle. Service aux utilisateurs, de la préparation de l'expérience au traitement de ses données, développement permanent des instruments et équipements scientifiques, recherche pour leur propre compte. Ils ont également une double compétence dans leur domaine d'expertise (magnétisme, physique des particules, biologie etc ...) et en neutronique.

Après l'accident nucléaire de Fukushima, l'ILL a décidé d'améliorer la sécurité de son site et notamment le renforcement de la protection de secours de l'alimentation électrique. Ainsi l'entreprise AEG a été choisie en 2015 comme fournisseur des systèmes d'alimentation électrique conformes aux normes nucléaires[21]. En , l'ILL se dote d'un drone de surveillance capable de détecter la radioactivité dans un rayon de neuf kilomètres, y compris par temps de forte pluie[22]. Après l'annonce en 2015 de la baisse de puissance du réacteur français Orphée à Saclay et de sa fermeture en 2019, l'ILL deviendra à cette date la seule source française de neutrons[23].

Le , un élément combustible usé est resté bloqué dans sa hotte de manutention lors de son transfert dans la piscine[24], occasionnant une déclaration d'incident nucléaire de niveau un sur une échelle qui en compte huit.

Résultats et applications des recherches

Les résultats de l'ILL sont largement diffusés dans les revues scientifiques internationales, mais certains résultats de recherche peuvent être disponibles sur la chaîne YouTube de l'ILL[25].

Physique des particules

En matière de physique théorique, l'utilisation de neutrons permet de faire des recherches dans de nombreux domaines. En , des chercheurs de l'institut Laue-Langevin associés à ceux de l’université de Göttingen publient leurs résultats dans la revue Nature concernant la découverte de la 17e forme de glace, la glace XVI[26],[27],[28]. Afin de découvrir des particules encore hypothétiques comme les axions, des expériences sont menées à l'Institut Laue-Langevin par spectroscopie de résonance gravitationnelle consistant à faire rebondir des neutrons ultra-froids le long d'un miroir pour observer leurs états quantiques d'énergie[29],[30].

En 2016, l'institut a été le lieu d'une expérience visant à vérifier si des neutrons pouvaient passer de notre univers vers un univers parallèle, mais l'expérience n'a pas été concluante. Les résultats obtenus sont cependant archivés sur le site d'arXiv[31]. D'autres expériences similaires pourraient se renouveler dans l'avenir[32].

En , l'expérience STEREO (Sterile reactor oscillation) consistant à découvrir l’existence d’un nouveau constituant élémentaire de la matière, un type de neutrino dit neutrino stérile, prend place dans les locaux de l'institut[33]. Conçu à l'IRFU de Saclay et fruit d'une collaboration internationale, le dispositif global d'environ 93 tonnes de blindage autour d'un détecteur de 3 m sur 2 m et d'1,5 m de hauteur, est positionné à proximité immédiate du réacteur durant l'été et doit donner ses premiers résultats vers la fin de l'année. L'expérience qui fournit sa première campagne de données entre le et le [34] pourrait démontrer par l'oscillation des neutrinos à courte distance, l'existence d'un quatrième état des neutrinos. La spécificité de STEREO par rapport à d'autres expérience similaires menées à travers le monde venant du fait que le cœur du réacteur est très compact. Mais d'autres campagnes de mesure sont nécessaires pour confirmer ou rejeter de manière certaine l'oscillation. En , la présentation de nouveaux résultats portant sur l'analyse de 65 000 neutrinos tend à réfuter l'existence d'un 4e neutrino dit stérile qui expliquerait le déficit de neutrinos constaté auprès des réacteurs nucléaires[35]. Des analyses se poursuivent cependant jusqu'en 2020 pour confirmer cette tendance.

L'ILL dévoile en 2017 dans la revue scientifique Nature sa collaboration avec des universités européennes sur la recherche d'aimants moléculaires qui pourraient être utilisés dans l'avenir pour l'informatique quantique[36].

L'ILL est aussi le lieu d'observations de désintégration (disparition) de neutrons à l'intérieur de bouteilles aux parois magnétiques afin de déterminer combien de temps peut vivre un neutron en dehors d'un atome. Mais contre toute attente, des différences significatives et inexpliquées de 8,4 secondes entre deux types d'expériences mènent les chercheurs à faire un lien entre cette disparition et la matière noire[37],[38]. Cependant, en , le physicien William Marciano (de) doute de ce lien entre disparition des neutrons et matière noire[39]. Dans l'avenir, l'expérience PERKEO III menée à l'ILL pourrait décider de la viabilité des désintégrations de neutrons exotiques[40].

Dans le cadre de la compréhension de la matière noire et de l'énergie noire, une étude menée en 2018 par l'université de Vienne utilise la source de neutrons ultra-froids « PF2 » de l'ILL afin de déterminer l'existence d'une hypothétique particule appelée symmétron. Mais l'expérience d'une précision extrême (2 × 10−15 eV) et menée durant cent jours ne permet pas de mettre en évidence ces particules[41],[42]. Cependant, pour les physiciens, il est encore trop tôt pour exclure totalement leur existence et seules d'autres expériences pourront éventuellement le faire.

Médecine

Dans le domaine de la santé humaine, grâce aux instruments de diffusion neutronique de pointe, des équipes de l'ILL et de l'université de Chicago ont montré en 2013 que la charge de nanoparticules d’or influe sur la manière dont ces nanoparticules interagissent avec la paroi externe qui protège les cellules[43]. Les paillettes d’or chargées positivement pénètrent profondément dans la paroi externe de la cellule et la détruisent alors qu'au contraire chargées négativement, les paillettes d'or stabilisent la membrane de la cellule. En 2017, des essais cliniques de photothérapie à partir de nanoparticules d'or se déroulent aux Etats-Unis, laissant entrevoir une thérapie prometteuse[44].

Structure typique d'un neurone

La technique de diffraction de neutrons sur la matière a permis en 2014 d'étudier à l'ILL la structure de la myéline avec une très grande précision et de comprendre les pathologies des couches entourant les nerfs. En utilisant un isotope de l'eau (eau lourde D2O), des chercheurs du Boston College ont pu déterminer la vitesse de déplacement de l'eau dans la gaine de myéline. Les résultats ont montré que les échanges d’eau dans le système nerveux périphérique étaient presque deux fois plus rapides que dans le système nerveux central[45].

Une publication dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences du informe qu'une collaboration internationale à laquelle ont participé des chercheurs de l'ILL a mis en évidence que le mouvement des molécules d'eau pourrait constituer un marqueur indirect de la présence de fibres amyloïdes tau. Ces fibres étant directement impliquées dans le développement de la maladie d'Alzheimer, leur détection pourrait ainsi permettre un diagnostic précoce de la maladie[46],[47].

Les radioisotopes produits dans le réacteur de l'institut sont utilisés en médecine pour le traitement du cancer[48]. C'est le cas du terbium, une terre rare qui produit des rayonnements alpha, bêta ou gamma, et même des électrons Auger. C'est également le cas du 177Lu de période 6,7 jours qui produit pour une société privée en 2016 doit être utilisé dans la lutte contre le cancer de l'intestin[49].

En 2018, l'enzyme PKG II (protéine kinase G II) associée au cancer de l’estomac et à l’ostéoporose, ainsi que son processus d’activation ont été observés en détail pour la première fois, grâce à la cristallographie neutronique utilisée à l'ILL. Les résultats de cette collaboration mondiale qui va faire évoluer la compréhension de ces mécanismes devraient aboutir à développer de nouveaux médicaments contre ces deux maladies[50].

En avril 2020, l'ESRF, l'IBS et l'EMBL voisins joignent leurs forces à l'ILL dans la lutte contre la maladie à coronavirus 2019[51]. En juillet 2021, la revue Nature révèle que l'ILL, l'IBS, l'Institut Paul Scherrer et l'Organisation australienne pour la science et la technologie nucléaire (ANSTO) ont découvert grâce à la réflectométrie neutronique comment la protéine Spike du covid-19 provoque l’arrachement des lipides des cellules pulmonaires humaines[52].

Biologie

En 2013, des chercheurs britanniques et français ont utilisé les faisceaux de neutrons de l'institut afin de mettre au point une nouvelle méthode à fiabilité élevée pour visualiser les empreintes digitales laissées sur des surfaces métalliques[53],[54].

En été 2016, à l'aide d'une technique d'imagerie par rayonnement à neutrons, une équipe de l'Institut de biologie structurale, de l'Institut Max-Planck de biologie cellulaire et de l'Institut Laue-Langevin démontre qu'une molécule appelée éctoïne est utilisée par la bactérie halomonas titanicae dans l'épave du Titanic afin de survivre à la pression osmotique que provoque le sel de l'eau sur ses membranes[55],[56]. Cette bactérie qui ronge les restes du paquebot pourrait faire disparaître progressivement l'épave à l'horizon de 2030[57].

Matériaux

En 2017, une équipe de chercheurs de l'université de Warwick associée à l'entreprise sidérurgique Tata Steel met en évidence grâce à l'instrument d'imagerie des déformations (SALSA) de l'ILL que les points de soudure de l'acier au bore présentent une dureté réduite du fait de la chaleur de la fusion, affectant directement la durée de vie du matériau[58]. Les chercheurs s'engagent à trouver des méthodes de soudage alternatives pour l'industrie automobile comme le soudage par impulsions magnétiques.

Prix et distinctions

Le physicien britannique Duncan Haldane qui a travaillé à l'institut de 1977 à 1981 reçoit en 2016 le Prix Nobel de physique avec John M. Kosterlitz et David J. Thouless pour leur travaux sur les transitions des phases topologiques dans la matière[59],[60].

Effectifs

En 2010, l'institut employait 489 personnes[61] dont 70 chercheurs, une vingtaine de doctorants, plus de 200 techniciens, 50 administratifs et 60 spécialistes de l'exploitation et de la sûreté. Son personnel comptait environ 65 % de Français, 12 % d'Allemands et 12 % de Britanniques.

Au , ses effectifs sont de 523 personnes dont 70 % de Français, 7 % d'Allemands et 6 % de Britanniques[62].

Chaque année, environ 1 500 chercheurs venus de quarante pays utilisent la source de neutrons de l'ILL, pour un total d'environ 800 expériences par an[63],[64].

Organisation

Direction générale
Mandat Nom Pays d'origine Note
1967-1972 Heinz Maier-Leibnitz et Bernard Jacrot[65] Allemagne de l'Ouest, France mandat jusqu'en 1973 pour Bernard Jacrot
1972-1975 Rudolf Mössbauer Allemagne de l'Ouest co-lauréat du prix Nobel de physique en 1961
1975-1980 John White Royaume-Uni
1980-1982 Tasso Springer[66] Allemagne de l'Ouest
1982-1985 Brian Fender[67] Royaume-Uni
? ?
1989-1991 Peter Day[68] Royaume-Uni
1991-1995 Jean Charvolin[69] France
? ?
1998-2001 Dirk Dubbers[70] Allemagne
2001-2006 Colin Carlile[71] Royaume-Uni
2006-2011 Richard Wagner[72] Allemagne
2011-2014 Andrew Harrison[73] Royaume-Uni
2014-2016 William Stirling[74] Royaume-Uni directeur de l'ESRF de 2002 à 2008
2016-2021 Helmut Schober[75] Allemagne
2021-2026 Paul Langan Royaume-Uni

États membres

En 2020, les pays membres associés de l'ILL sont au nombre de trois, auxquels s'ajoutent onze membres aux contributions plus modestes[76]. La Russie a été membre associée à partir de 1996, avant de se retirer[77]. L'Inde y est également entré en 2011 puis s'est retiré en 2016. Le dernier pays a y être entré est la Slovénie en août 2020[78].

Les États membres associés et leur contribution financière entre parenthèses sont[79] :

Ils sont rejoints par des associés scientifiques qui se répartissent 25 % de la contribution :

Avec la procédure de retrait du Royaume-Uni de l'Union européenne lancée en , le Royaume-Uni souhaite poursuivre sa collaboration avec les centres de recherche comme l'institut Laue-Langevin, mais se demande comment remplacer sa contribution financière[80].

Accès

Depuis 2014, l'accès en voiture se fait par une nouvelle entrée au 71 avenue des Martyrs, à proximité de l'institut de biologie structurale. En transports en commun, l'institut est desservi par le terminus de la ligne B du tramway, ainsi que par les lignes de bus C6, 22 et 54.

Notes et références
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  4. Grenoble-resistance.fr, Charnier du polygone.
  5. echosciences-grenoble.fr du 31 janvier 2017, Anniversaire de l'ILL : 50 ans de neutrons à Grenoble.
  6. ill.eu, Dates clés.
  7. ipousteguy.com, Repères biographiques.
  8. Les Affiches de Grenoble et du Dauphiné N°3638 du 27 mai 1994, page 3.
  9. www.echosciences-grenoble.fr du 21 décembre 2015, L'environnement échantillon à l'ILL de 1970 à 1990.
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  80. (en) « UK science must work with the US, but it won’t replace the EU », sur timeshighereducation.com, (consulté le )

Annexes

Bibliographie
  • Bernard Jacrot, Des neutrons pour la science: histoire de l'institut Laue-Langevin, une coopération internationale particulièrement réussie, EDP science, Les Ulis, 2006, (ISBN 2-86883-878-2)

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