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Innover pour demain

Recherche fondamentale en physique et chimie

Publié le 25 septembre 2015
Depuis sa création, le CEA s’appuie sur ses avancées en recherche fondamentale, tant en physique, qu’en chimie ou encore en sciences du vivant, pour concevoir les technologies de demain. Cette recherche fondamentale représente environ un tiers des activités de l'organisme et contribue à l'ensemble de ses activités dans les domaines de la défense, de l’énergie, ou de la santé.

​Physique des particules,
à la poursuite de l’infiniment petit

Au Cern, à Genève, le grand collisionneur de hadrons (LHC) est le plus puissant des accélérateurs de particules au monde. Il fait partie de ces grands instruments indispensables à la recherche française et internationale. Ce collisionneur de 27 kilomètres de circonférence, situé dans un tunnel à 100 m sous terre à la frontière franco-suisse, a permis en 2012 la découverte du boson de Higgs, grâce à ses détecteurs Atlas et CMS observant les résultats des collisions.

Les physiciens du CEA contribuent activement aux programmes de recherche du LHC. Aujourd’hui, ils travaillent sur la nouvelle campagne d’exploitation à 13 TeV d’énergie de collisions (près de deux fois plus qu’à la fin de la 1ère phase en 2013). Cette seconde période d'exploitation (2015-2018) promet de nouveaux rebondissements en physique des particules. Objectif : mesurer avec précision différentes propriétés du boson de Higgs et sonder ses désintégrations rares. De nombreuses questions restent encore en suspens. Quelle est la nature de la matière noire ? Pourquoi y a-t-il bien d'avantage de matière que d’antimatière dans l’Univers ? Pour quelle raison la gravité est-elle beaucoup moins puissante que les trois autres forces fondamentales ? De nombreuses théories existent, et les données de l’exploitation du LHC à plus haute énergie pourraient fournir des indices susceptibles d’éclaircir ces mystères.


Chimie du futur : recyclage du CO2

Alors que l’industrie chimique représente 12 % de la valeur ajoutée de l’industrie manufacturière en Europe, ce segment repose encore massivement sur l’utilisation de ressources fossiles et 95 % des composés organiques qu’il produit dérivent du pétrole et du gaz naturel. Afin d’améliorer la durabilité de cette activité industrielle, il est nécessaire d’amorcer un changement de ressources primaires, pour se tourner vers des matières carbonées renouvelables tels que le CO2 ou la biomasse non-alimentaire.

Fort de son expertise en chimie moléculaire, catalyse et calculs quantiques, l’Institut rayonnement matière de Saclay (CEA-Iramis) développe de nouveaux procédés catalytiques et catalyseurs performants pour la valorisation du CO2 et de la ligno-cellulose naturelle. Le laboratoire a développé sept nouveaux procédés permettant de convertir le CO2 dans des conditions douces en des produits à haute valeur ajoutée, pour les domaines des carburants, des engrais, pesticides, solvants et adhésifs, tels que le méthanol, les formamides et les méthylamines. Sur la base de modélisations théoriques, les chercheurs du CEA ont réussi à s’affranchir des catalyseurs métalliques, posant des problèmes de coût, de toxicité et d’abondance, pour mettre au point de nouveaux catalyseurs sans métaux pour la conversion du CO2.

VidéoValoriser le CO2



Exploration de l’Univers,
l’avenir des télescopes spatiaux

Aujourd’hui, 95 % de l’Univers restent totalement inconnus. Explorer les confins de l’espace pour découvrir de nouvelles galaxies ou comprendre l’origine et l’évolution  de l’Univers, tels sont les objectifs de grandes missions internationales en astrophysique et en cosmologie. Pour les mener à bien, les scientifiques ont besoin de voir plus loin, plus grand et plus précisément grâce à des instruments de recherche puissants :

  • Au sol : Le télescope Apex (Atacama Pathfinder Experiment) au Chili pour l’exploration de l’Univers froid et lointain, l'observatoire CFHT (Canada France Hawaii Telescope) qui abrite un télescope optique et infrarouge de classe mondiale, l’observatoire Alma (Atacama Large Millimeter Array), localisé au Chili pour une observation plus fine de la formation des étoiles dans l’Univers proche ou lointain, le futur réseau de télescopes CTA (Cherenkov Telescope Array) pour l’étude des astres et objets célestes dans l’Univers, l’ELT-Metis (Extremely Large Telescope) au Chili, opérationnel en 2025, avec son miroir primaire de 39 mètres de diamètre qui sera le plus grand télescope du monde, pour une observation de l’Univers dans le visible et l'infrarouge.
  • Dans l’espace : le satellite Herschel pour l’étude de la formation des étoiles et l’évolution des galaxies, l’observatoire Planck pour l’analyse du fond diffus cosmologique, la sonde Cassini pour l’étude de la planète Saturne et de ses satellites, la mission SolarOrbiter prévue en 2017 pour l’étude du Soleil, le satellite JWST en orbite en 2018 notamment pour l’étude des exoplanètes, l’observatoire XMM-Newton et INTEGRAL pour l’analyse du rayonnement X et gamma des objets célestes dans l’espace, son successeur ATHENA en 2028 pour l’observation des rayons X issus des explosions d’étoiles au confins de l’Univers, la mission Euclid destinée à partir de 2020,  à cartographier l’Univers pour mieux comprendre l’influence de la matière noire et de l’énergie noire, la mission SVOM à l’horizon 2021 dédiée aux sursauts gammas pour les phénomènes violents de l’Univers.

Les astrophysiciens du CEA participent à l’ensemble de ces missions dans toutes leurs phases : l’exploitation des résultats, les développements de prototypes pour les missions à venir et la conception des missions du futur.


Zoom sur
le projet Cherenkov Telescope Array (CTA)

Le futur observatoire Cherenkov Telescope Array (CTA), projet d’envergure mondiale, a pour objectif d’étudier une grande diversité d’astres (trous noirs super massifs, nébuleuses de pulsars, restes de supernovae, galaxies à flambée d’étoiles…) avec une sensibilité et une précision jamais atteintes.
Deux sites – l’un dans l’hémisphère Nord et l’autre dans l’hémisphère Sud – devraient accueillir plusieurs dizaines de télescopes gamma au sol de différentes tailles, permettant d’explorer un vaste domaine en énergie (de 20 GeV à 300 TeV environ). La mise en service de l’ensemble du réseau est prévue à l’horizon 2020.



L’ordinateur du futur sera-t-il quantique ?

​Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique ?

Dans un ordinateur classique, l’information est stockée dans un ensemble de cases mémoires élémentaires appelés bits, dont la valeur est soit 0, soit 1. Le traitement de cette information (algorithme) consiste toujours en une suite d’opérations très simples (portes logiques) sur un bit ou sur une paire de bits à la fois. Dans un ordinateur exploitant les lois de la physique quantique, chaque case mémoire (bit quantique ou qubit) peut être à la fois à la valeur 0 et à la valeur 1, si bien que l’ensemble des qubits (registre) se trouve simultanément dans un grand nombre de valeurs possibles (on parle de superposition quantique d’états). Les portes logiques traitent donc simultanément un grand nombre de valeurs différentes ce qui confère à l’ordinateur quantique  un caractère massivement parallèle, à la base de sa puissance. Cependant, la physique quantique n’autorise l’accès qu’à un seul des résultats calculés. Un algorithme quantique consiste donc en une suite de portes traitant en parallèle les calculs intermédiaires et amenant le registre de qubits dans un état encodant le résultat recherché (étape de distillation quantique). Par ce principe, un ordinateur quantique pourrait résoudre certains problèmes hors de portée d’un ordinateur classique présent ou même futur. Toute la difficulté est de maintenir les superpositions quantiques malgré leur fragilité vis-à-vis des processus de décohérence.
A quoi ressemblera l’ordinateur du futur ? Pourra-t-on construire un jour un processeur tirant parti de la physique quantique dans son principe même de fonctionnement ? Un tel dispositif traiterait l’information de façon intrinsèquement parallèle, et effectuerait certains calculs beaucoup plus efficacement que les ordinateurs actuels.

Le Groupe quantronique du CEA-Iramis développe des circuits supraconducteurs qui pourraient être les briques de base d’un tel processeur quantique. Ce procédé serait basé sur la présence d’éléments mémoires (bits) et de portes logiques quantiques. Leur but ? Dépasser les frontières de la physique classique pour tenter de construire l’ordinateur du futur.



Des aimants surpuissants
pour de très grands instruments de recherche

Les chercheurs du CEA sont à l’origine d’équipements majeurs de très grands instruments de recherche. Spécialistes en magnétisme, en électrotechnique, en thermique et en mécanique[1], ces scientifiques étudient, conçoivent, réalisent et testent des prototypes d’aimants supraconducteurs qui, à la pointe de la technologie, ne pourraient pas être réalisés par les industriels.

A titre d’exemples, les aimants principaux des détecteurs Atlas et CMS du Cern, les quadripôles du LHC et plus anciennement les bobines de l’installation de fusion Tore Supra sont sortis de leurs laboratoires. Dès maintenant, les i​ngénieurs travaillent sur les accélérateurs du futur (post LHC) qui utiliseront des matériaux supraconducteurs à haute température critique. Les chercheurs réalisent également des tests de qualification de grandes bobines supraconductrices comme, par le passé, ceux des 20 bobines de Tore Supra et plus récemment des 70 bobines de la machine de fusion W7X[2]. Ils s’apprêtent dès 2016, à tester les bobines du tokamak japonais JT-60SA[3].

C’est dans ce contexte que l’aimant du futur système d’imagerie par résonance magnétique (IRM) de 11,7 teslas du projet Iseult, conçu par la Direction des sciences de la matière du CEA et réalisé en partenariat avec Alstom, sera mis en service pour la Direction des sciences du vivant du CEA. Au centre de ce dispositif unique au monde, qui sera installé au centre de neuro-imagerie NeuroSpin : un aimant composé de 65 tonnes de bobinages qui doivent être positionnés très précisément. Le bobinage est réalisé à partir de 190 km kilomètres de conducteur électrique de l’ordre d’un millimètre de diamètre, et constitué d’un matériau supraconducteur en niobium-titane (NbTi) placé dans une gaine de cuivre. Une fois refroidi et maintenu à très basse température (1,8 K soit – 271°C) grâce à de l’hélium superfluide, ce matériau se comporte comme un parfait conducteur du courant : il n’y a aucune perte d’énergie.

Ce système IRM à ultra haut-champ de 11,7 T promet d’atteindre une qualité d’image unique, offrant la possibilité de visualiser à une résolution inégalée les constituants et le fonctionnement des organes chez l’Homme, et de notamment mieux décrypter les mystères du cerveau humain.


1. Les cour​​​ants de plusieurs dizaines de milliers d’ampères génèrent des forces magnétiques considérables (forces de Laplace), il faut donc concevoir des structures capables de résister mécaniquement aux déformations induites par ces forces.
2. Installation de fusion localisée en Allemagne.
3. Installation de fusion localisée au Japon.


Vue du tunnel du LHC au Cern
​Vue du tunnel du LHC au Cern.
© P.Stroppa/CEA




Qu’est-ce que
le Boson de Higgs ?

Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence, postulée
indépendamment en 1964 par Robert Brout, François Englert, Peter Higgs,
Carl Richard Hagen, Gerald Guralnik et Thomas Kibble, permet d'expliquer pourquoi certaines particules ont une masse et d'autres n'en ont pas. Son existence a été confirmée de manière expérimentale en 2012 grâce au
LHC et a conduit à l'attribution du prix Nobel de physique à François
Englert et Peter Higgs en 2013.




Vue d'un laboratoire de valorisation du CO2
Vue d'un laboratoire de valorisation du CO2.
© CEA


​Travail en laboratoire de valorisation du CO2
​Travail en laboratoire de valorisation du CO2.
© CEA Iramis







​Vue d'artiste des piliers de la création, mission Herschel
​Vue d'artiste des piliers de la création, mission Herschel. © NOAO

Vue d'artiste d'un observatoire au sol.
​Vue d'artiste d'un observatoire au sol.
© CEA/Opixido

Vue de l'observatoire spatial Planck.
​Vue de l'observatoire spatial Planck.
© hintergrund/illustration/ESA










Première réalisation d'un bit quantique sur une puce électronique.
​Première réalisation d'un bit quantique sur une puce électronique. © CEA



























Détecteurs CMS du LHC au Cern.
​Détecteurs CMS du LHC au Cern.
© P.Stroppa/CEA

​Détecteur ATLAS du LHC au Cern.
​Détecteur ATLAS du LHC au Cern.
© CEA/Dapnia

​Station d'essai des aimants du W7X.
​Station d'essai des aimants du W7X.
© F.Vrignaud/CEA

​Intérieur de l'arche qui accueillera l'IRM 11,7 T.
​Intérieur de l'arche qui accueillera l'IRM 11,7 T. © PF.Grosjean/CEA


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