Laboratoire d'Annecy de physique des particules

Dans les années 1980, les chercheurs du LAPP démarrent des activités hors du CERN avec la recherche des oscillations de neutrinos à Bugey, puis avec les expériences Nomad, Chooz et OPERA. En 2015, OPERA découvre l’oscillation de neutrinos muoniques en neutrinos tauiques. Ce domaine s’est développé et le LAPP s’engage aujourd’hui dans un important programme de recherche sur les neutrinos (projets STEREO, SuperNEMO et WA105/DUNE)[11].

Le spectromètre AMS-1 avant son embarquement sur la navette spatiale STS-91 en 1998

Dans les années 1990, le LAPP élargi son champ d’activités avec des expériences tournées vers les astroparticules et l’observation du cosmos : Virgo, AMS, H.E.S.S, CTA et LSST. En 1989, les chercheurs du LAPP se sont attelés à la confirmation de l’existence des ondes gravitationnelles avec Virgo, interféromètre géant installé en Italie. Il s'agit de l'un des projets phares du LAPP, dans lequel le laboratoire tient un rôle important. Une avancée majeure a eu lieu en 2015 avec la première détection de ces ondes. Là encore, les scientifiques du LAPP étaient en première ligne[12].

En 1998, le LAPP participe à la mission spatiale AMS-01, à bord de la navette Discovery de la NASA pour la mission STS-91. AMS est le premier détecteur physique de particules opérant dans l’espace. Il a pour but la recherche de la matière noire et de l’anti-matière dans l’univers. Le détecteur dans sa configuration finale est mis sur orbite sur la station spatiale internationale (ISS) en 2011[13].

En 2005, le LAPP s’investit dans le projet pour l’observation du cosmos du réseau de télescopes HESS, en Namibie, à la recherche des phénomènes les plus violents de l’Univers. Puis les chercheurs du LAPP s’engagent dans la préparation du premier observatoire mondial d’astronomie gamma, CTA, actuellement en construction. Depuis 2016, le laboratoire s’attelle aussi à la compréhension de l’énergie noire avec LSST[14]^,[15]^,[16].

Ces réalisations conduisent naturellement à des contacts nombreux avec le tissu industriel environnant et les autres laboratoires de l’USMB. C’est ainsi qu’en 2007 le projet MUST a vu le jour : mésocentre de calcul et de stockage, il est destiné en premier lieu aux laboratoires de l’Université afin de satisfaire les besoins des chercheurs dans différentes disciplines, mais est également intégré dans la grille européenne, Tier2 de LHC et de CTA.

ATLAS est l’une des quatre expériences installées sur le grand collisionneur de hadrons (LHC, Large Hadron Collider) au CERN. Elle explore de nouveaux territoires de la matière, de l’énergie, de l’espace et du temps au LHC. Le détecteur ATLAS a été conçu pour comprendre notre Univers et son évolution. La collaboration étudie de nouveaux processus fondamentaux ainsi que la matière à l’échelle la plus petite jamais atteinte. Composée de scientifiques provenant de 38 pays du monde entier, elle a construit et fait fonctionner le détecteur pour enregistrer les collisions du LHC. Malgré sa grande taille et sa complexité, le détecteur permet de faire des mesures très précises. Les collisions enregistrées ont déjà donné lieu à des centaines de publications scientifiques, dont celle de la découverte du Boson de Higgs[17].

L’expérience LHCb est une autre des quatre expériences du LHC. Elle est conçue pour explorer de façon précise les légères différences entre matière et antimatière ainsi que pour rechercher de nouvelles particules dans les désintégrations rares des hadrons B (particules contenant un quark b ou un antiquark b). Contrairement au détecteur ATLAS, qui est fermé autour du point de collision, LHCb observe principalement les particules émises à petits angles vers l’avant dans la direction d’un des faisceaux. Il pèse 5 600 tonnes, mesure 21 mètres de long, 10 mètres de large et 13 mètres de haut. La collaboration LHCb se compose d’environ 760 scientifiques venant de 69 laboratoires de 16 pays du monde entier[18].

Le projet de Collisionneur Linéaire LC (International Linear Collider, ILC ou CLIC) vise à proposer un nouvel outil pour poursuivre l’étude des composants ultimes de la matière et de leurs interactions, aujourd’hui menée au LHC. Formé de deux accélérateurs se faisant face, le ILC accélèrera et fera entrer en collision des électrons et leurs antiparticules, des positons, à haute luminosité et à des énergies jusqu’à 15 fois supérieures aux précédents accélérateurs d’électrons. Ceci, combiné à l’interaction très précise de deux particules sans sous-structure qui s’annihilent, permettra de mesurer avec une grande précision les propriétés des particules, telles que le boson de Higgs, et pourrait également éclairer des nouveaux domaines de physique tel que celui de la matière noire[19]^,[20].

Dans le cadre de ce projet, le LAPP consacre une part importante de ses activités à la R&D sur des sujets potentiellement vecteurs d’innovation, comme la stabilisation active des faisceaux des futurs accélérateurs et la conception de détecteurs de nouvelle génération[10].

L’expérience AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) a pour mission de déterminer la composition du flux des rayons cosmiques de haute énergie qui arrivent sur Terre, afin d’en savoir plus sur les sources de ce rayonnement et peut-être d’éclaircir certains des principaux mystères de notre Univers : l’absence d’antimatière et la nature de la matière noire. AMS est un détecteur de physique des particules, installé le 19 mai 2011 sur la station spatiale internationale par la navette américaine Endeavour (mission STS-134), en orbite à 400 kilomètres d’altitude. De conception très similaire aux expériences que l’on trouve auprès des accélérateurs de particules, ses différents instruments lui permettent de détecter le passage des rayons cosmiques, de mesurer leurs propriétés (charge électrique, énergie) et de déterminer leur nature, sans que ceux-ci ne soient perturbés ou absorbés par l’atmosphère terrestre[21].

Les neutrinos, particules élémentaires de très faible masse et de charge électrique nulle, traversent aisément la matière sans laisser de trace. Ils présentent des propriétés tout à fait étonnantes et ne cessent d’intriguer les chercheurs. Ils se déclinent en trois types appelés « saveurs » (électronique, muonique et tauique) et ils peuvent passer d’une saveur à l’autre par un phénomène appelé « oscillation ». Le LAPP est impliqué dans trois projets qui abordent une grande partie des questions fondamentales non résolues. Le neutrino est-il sa propre anti-particule ? SuperNEMO tentera de répondre à cette question en recherchant de la double désintégration bêta sans émission de neutrino (un type de radioactivité qui serait extrêmement rare). Existe-t-il une quatrième saveur de neutrino ? L’expérience STEREO étudiera très précisément les (anti)neutrinos issus d’un réacteur nucléaire pour y déceler des oscillations qui seraient la preuve de l’existence d’un quatrième type de neutrino (neutrino stérile). Les anti-neutrinos se comportent-ils différemment des neutrinos ? Le futur détecteur géant DUNE étudiera les différences entre neutrinos et anti-neutrinos[11].

L’astronomie gamma a pour but d’identifier les origines du rayonnement cosmique, de mieux comprendre les phénomènes astrophysiques violents, de sonder la matière noire de l’Univers et de tester certaines lois fondamentales de la physique. Les rayons gamma sont issus d’interactions de particules chargées accélérées à très haute énergie.

Aujourd’hui, l’exploration de ces rayons ouvre une nouvelle fenêtre sur le cosmos grâce au projet H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) situé en Namibie, actuellement la plus grande expérience au monde destinée à l’observation des rayons gamma[22].

CTA (Cherenkov Telescope Array), est un observatoire de nouvelle génération actuellement en construction sur deux sites, au Chili et en Espagne. Il assurera une couverture spectrale complète du domaine des hautes énergies, cartographiera l’ensemble du ciel et explorera plus profondément l’espace extragalactique[23].

Le détecteur Virgo est un interféromètre géant destiné à l’observation des ondes gravitationnelles. Il est situé au sud de Pise, en Italie, et fait partie, avec les détecteurs américains LIGO, d’un réseau international d’observatoires d’ondes gravitationnelles. Virgo est une collaboration européenne constituée d’environ 200 chercheurs, ingénieurs et techniciens répartis dans une vingtaine de laboratoires en France, Italie, Pays-Bas, Hongrie, Pologne et Espagne[24]^,[25].

Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites en 1916 par la théorie de la Relativité Générale d’Albert Einstein. Elles sont générées lors de cataclysmes cosmiques comme la fusion de deux trous noirs. Elles modifient les distances sur leur passage. L’observation de ces ondes ouvre une nouvelle façon de voir l’Univers et permettra une meilleure compréhension de la gravité.

Le "Large Synoptic Survey Telescope" (LSST) est un télescope terrestre à très grand champ conçu pour imager de manière répétée et régulière l'ensemble du ciel visible. Actuellement en cours de construction sur le Cerro Pachón au Chili, il devrait être opérationnel à partir de 2022. La résolution de ses images, la largeur de son champ de vision et sa rapidité doteront le LSST de capacités d'observation inégalées. L'instrument LSST a été optimisé pour couvrir de nombreux domaines scientifiques dont la cosmologie, et devrait ainsi permettre de mieux comprendre l'énergie noire et la matière noire[26].

Le service électronique participe au développement de la chaîne de lecture des signaux issus des détecteurs. Les électroniciens du LAPP conçoivent des systèmes complexes permettant la lecture bas bruit et faible consommation des capteurs, la numérisation des signaux, leur traitement numérique par des systèmes rapides et performants à base de composants programmables ou processeurs, et l’envoi des données vers le système d’acquisition de l’expérience[27].

Le service mécanique prend en charge les développements techniques nécessaires à la construction des expériences de physique. Ses équipes mènent régulièrement des projets à caractère pluridisciplinaire avec entre autres de l’instrumentation, des simulations thermomécaniques et dynamiques avancées, du vide, de l’automatisme, du contrôle d’appareillages expérimentaux, du contrôle vibratoire, des systèmes de refroidissement ou encore la mise en œuvre des matériaux comme les matériaux composites[28].

Les réalisations du service informatique s’inscrivent selon deux grandes missions. Tout d’abord, il gère l’administration du parc informatique et du réseau du laboratoire ainsi que la mise en œuvre, la promotion et le support de services nécessaires au bon fonctionnement du laboratoire et des équipes de recherche. D’autre part, il est chargé de la réalisation de logiciels et d’applicatifs qui sont notamment mis en œuvre au niveau des systèmes d’acquisition des données et de supervision des expériences[29].

Enfin, le service « administration et services généraux » du LAPP apporte son soutien aux activités de recherche menées dans l’unité par les chercheurs et les services techniques. Il est organisé en un pôle « ressources humaines et secrétariat », un pôle « finances » et un pôle « services généraux », et travaille en relation étroite avec la délégation Alpes du CNRS, l’Université Savoie Mont Blanc et l’IN2P3[30].

La plateforme MUST, méso-centre de calcul et de stockage, a été mise en œuvre par le LAPP et l’Université Savoie Mont Blanc afin de répondre aux besoins de calcul et stockage des chercheurs, et cela quelles que soient les disciplines scientifiques. Hébergée dans une salle de 180 m², cette plateforme répond à la fois aux besoins de calcul HPC (High Performance Computing) et HTC (High Throughput Computing), en permettant l’exécution de plusieurs milliers de tâches de calculs simultanément, mais aussi aux problématiques des grands volumes de données et de leur gestion[31]^,[32].

Dans le cadre du projet ASTERICS H2020[33], le LAPP pilote des développements logiciels et des solutions de calcul haute performance et de gestion du BigData pour les expériences de physique des astroparticules, d’astronomie et de cosmologie.

Le LAPP est également un membre historique de la collaboration mondiale Geant4[34], un logiciel de simulation des interactions des particules avec la matière. Développée pour la recherche en physique des particules, ses applications incluent désormais la physique nucléaire, le spatial et le médical[35].

Fort de son savoir-faire en instrumentation mécatronique pour la mesure et le contrôle actif de vibrations et dans le cadre de son programme de R&D en instrumentation, le LAPP développe un capteur adapté à la mesure et au contrôle des vibrations naturelles du sol avec un niveau de bruit très faible, sur une plage de fréquences allant de 0,15 Hz à 250 Hz. Cette technologie brevetée a été spécialement conçue pour la stabilisation active des grands instruments scientifiques, notamment les futurs accélérateurs linéaires, mais est également adaptable à d’autres applications pluridisciplinaires[36].

Une douzaine de doctorants effectuent leurs premiers travaux de recherche dans les différentes équipes du LAPP, laboratoire d’accueil de l’école doctorale de physique de Grenoble.

Chaque année une vingtaine de stagiaires de tous niveaux (DUT, Licence, Master, Écoles d’ingénieurs) sont accueillis au sein du laboratoire dans les équipes de recherche ou les services support[38].

En étroite collaboration avec leurs collègues du LAPTh, les enseignants-chercheurs et plusieurs techniciens et ingénieurs du LAPP assurent des enseignements dans les trois niveaux universitaires (Licence, Master, Doctorat), à l’IUT d’Annecy et dans plusieurs filières de l’École d’Ingénieurs Polytech’ Annecy-Chambéry.

Tous les ans en juillet, le LAPP organise l’école GraSPA ayant pour but de donner à des étudiants de 3^e année de licence ou de 1^re année de Master une introduction à la physique des particules et des astroparticules.

Les physiciens du LAPP contribuent également aux enseignements de l’école ESIPAP (European School of Instrumentation in Particle and Astroparticle Physics) qui a été créée en 2014 à l’initiative du laboratoire d’excellence ENIGMASS.[37]

Tous les deux ans, le LAPP, accompagné du LAPTh, ouvre ses portes au public lors de la Fête de la Science. À travers des stands, différents parcours et des conférences, chercheurs, enseignants-chercheurs, ingénieurs, techniciens et doctorants partagent leur enthousiasme et leur passion en faisant découvrir à tous les âges les secrets et dernières avancées en physique des particules.

Lors de la Fête de la Science, des classes (de l’école primaire au lycée) sont accueillies au LAPP pour un parcours de découverte sur les thèmes de recherche du laboratoire.

Le LAPP accueille aussi des élèves de 3^e lors de leur stage d’observation d’une semaine et des conférences sont régulièrement données dans les collèges et lycées.

Chaque année, le LAPP participe également aux « Masterclasses » organisées par le CERN. Les élèves et professeurs d’une classe de filière scientifique sont accueillis pendant une journée et initiés à la recherche en physique des particules en manipulant de vraies données du LHC[39].