C’est en écoutant le discours de Rolf Heuer, le Directeur Général du CERN, au forum économique mondial de Davos que j’ai voulu aborder ce sujet ici.

Rolf nous explique que ce n’est pas en persévérant dans la recherche appliquée sur la bougie que l’homme a découvert l’ampoule électrique à incandescence ! C’est bien en faisant de la science fondamentale, en voulant comprendre l’essence même de la nature, que l’homme a mis en évidence la nature de l’électricité et son fonctionnement, sans vouloir à priori trouver un système d’éclairage pour remplacer la bougie ou trouver une nouvelle source d’énergie.

Cette problématique n’est pas nouvelle : Michael Faraday, un des pionniers dans la compréhension de l’électricité, fut à l’époque critiqué au sujet de ses recherches considérées comme « inutiles ». Il aurait répondu à William Gladstone au sujet de l’électricité : « Un jour, on pourra prélever des impôts dessus ». Faraday ne comptait pas si bien dire 50 ans avant la découverte de la lampe à incandescence par Thomas Edison puis de l’utilisation massive de l’électricité dans nos sociétés. Cette petite anecdote  nous permet de nous rendre compte qu’il est extrêmement difficile d’évaluer à un moment donné les retombées futures d’une découverte en recherche fondamentale.

Délai entre recherche fondamentale et application

Le délai entre la recherche fondamentale et son application peut être très rapide voire instantané comme la découverte des rayons X et de la radiographie par Wihelm Röntgen en 1895. Cependant, ce laps de temps peut être beaucoup plus long : c’est le cas de la découverte du spin des particules (une propriété quantique fondamentale des particules) en 1925 et de l’augmentation des capacités des disques durs en 1997 (spintronique).

Bien évidemment, avant d’utiliser le spin des particules  dans nos disques durs d’ordinateurs, il fallait d’abord inventer l’ordinateur et le disque dur, qui eux-mêmes dépendent de centaines de découvertes fondamentales et il est donc normal que Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck, les découvreurs du spin en 1925, ne puissent pas penser aux disques durs…

Ce raisonnement peut paraitre absurde mais il est pourtant important de le mentionner pour comprendre que le monde évolue vite et que de nombreuses applications de la recherche fondamentale peuvent être inenvisageables avec les connaissances de l’époque. Aujourd’hui, nous vivons de plus en plus dans une société de l’immédiateté où tout le monde (politiques incluses) veut voir des résultats immédiats. Il faut bien comprendre que la Recherche ne marche pas de cette manière et que la Science a besoin de temps!

Les disques durs utilisent aujourd’hui la magnétorésistance géante, un phénomène quantique issu du spin des électrons (recherches issues du Prix Nobel français Albert Fert)

L’explosion de l’information du 20^ème siècle

Certes la Science d’aujourd’hui va plus vite qu’au 19^ème siècle avec les moyens de télécommunications ultrarapides mais la quantité d’information a littéralement explosée et il devient de plus en plus difficile d’appréhender toute la recherche d’un domaine. Aujourd’hui, quand on fait un doctorat, on a besoin d’une année entière (après les 5 ans d’études universitaires réglementaires) pour faire l’état de l’art d’un domaine de la science souvent restreint.

Pour le dire plus simplement: il faut 1 année complète d’étude à un universitaire pour comprendre où en est la science dans un tout petit domaine que seule une poignée de chercheurs comprend vraiment. C’est pourquoi il est important de faire de la recherche dans un environnement pluridisciplinaire car aucun chercheur ne peut maitriser plusieurs domaines, contrairement aux scientifiques d’antan (disons jusqu’à la fin du 19^ème siècle) qui cumulaient les fonctions de philosophes, médecins et scientifiques dans tous les domaines (mécanique, optique, thermodynamique…).

Différences entre un scientifique du 17^ème siècle (René Descartes) et du 21^ème siècle (John Ellis)

Des exemples tout au long de ce blog

Je voulais vous citer une série de liens entre recherche fondamentale et applications qui ont déjà fait l’objet de billets dans ce blog :

ARVA (Appareil de Recherche de Victime d’Avalanches) : Cet appareil permettant de sauver des vies en cas d’avalanches est basé sur l’émission et à la réception des ondes électromagnétiques découvertes à la fin du 19^ème siècle et mises en équation par Maxwell en 1865.

Charpak et sa chambre à fils : Georges Charpak inventa un détecteur de particules bien particulier pour le CERN en 1968 et ce type de détecteur est aujourd’hui utilisé en imagerie médicale pour faire de la radiologie 3D.

Comment mesurer la température d’une étoile : On peut mesurer la température d’un objet (comme une étoile) à partir de son spectre électromagnétique via l’équation de Planck expliquant le rayonnement des corps noirs.

L’échographie : Cette technique d’imagerie médicale bien connue des futures mamans est basée sur l’émission et la réception d’ultrasons, ondes sonores découvertes en 1883 par Galton.

La datation radiométrique au Carbone 14 : Cette méthode inventée en 1960 par Libby pour dater des échantillons organiques est directement issue de la découverte de la radioactivité par Becquerel en 1896.

Le LASER : En 1917, Einstein découvre l’émission stimulée des atomes. Plus de 40 ans plus tard en 1960, ce phénomène est utilisé pour produire une source de lumière cohérente par Maiman: le LASER.

Le Microscope Electronique a Balayage : Ce microscope permettant de réaliser des images exceptionnelles depuis les années 60  n’aurait jamais pu voir le jour sans la découverte de la structure de l’atome et des électrons du début du 20^ème  siècle.

Sadi Carnot : Toutes les machines thermiques, des machines à vapeurs aux moteurs d’avions à réactions en passant par les réfrigérateurs essayent de se rapprocher de la machine de Carnot, la machine thermique idéale. 

Le web : Il ne faut pas non plus oublier que pour faire de la recherche fondamentale, il faut parfois construire des machines très complexes comme des accélérateurs de particules, et que pour construire de telles machines, il faut faire de la recherche appliquée et développer de nouvelles technologies. Un des meilleurs exemples est peut être le WEB : C’est en voulant échanger des informations issues de la physique des particules que Tim Berners Lee a inventé le WEB au CERN en 1989. Aujourd’hui, presque tous les foyers des pays développés l’utilisent.

Tout le monde connait les 3 états de la matière : solide, liquide et gaz. Cependant, peu de personnes sont capables de bien définir ces 3 états et il en existe d’autres que peu de gens connaissent.

Les états « classiques »

Prenez un glaçon (solide), mettez le dans une casserole et chauffez le : le glaçon va fondre en eau (liquide) puis l’eau va se vaporiser en vapeur (gaz). Ca y est, vous venez d’explorer la matière dans tous ses états !

Pour comprendre les différents états de la matière, on peut dessiner un diagramme de phases qui représentent les 3 états (ou phases) d’un élément en fonction de sa température et de sa pression. Dans le cas de l’eau à pression atmosphérique (1 bar), la phase est solide en dessous de 0°C, liquide entre 0°C et 100°C et gazeuse au dessus de 100°C. Le passage d’une phase à une autre porte un nom précis et se réalise à pression et à température constante, il y a donc des points (en fait des lignes) où 2 états de la matière coexistent lors du changement de phase.

Diagramme de phases de l’eau

Il faut bien comprendre que pour connaitre l’état d’un élément, il ne suffit pas de connaitre sa température: sa pression est également indispensable! Par exemple, on peut obtenir de la vapeur d’eau à -10°C à très basse pression et de l’eau liquide à 300°C sous haute pression, ce qui peut s’avérer très pratique. L’eau liquide pressurisée à environ 300 °C est par exemple utilisée dans certains réacteurs nucléaires pour refroidir le cœur de la centrale (centrales de type EPR), voir ce billet sur le blog d’Alexandre Moatti.

Il existe également 2 points particuliers :

-  Le point triple où les 3 états coexistent ensemble (0,006 bar et 0,01°C pour l’eau).

-  Le point critique : au-delà de ce point, liquide et gaz ne sont plus distinguables et on parle alors de fluide supercritique (218 bar et 374 °C pour l’eau).  C’est en quelque sorte un état indéfini, car au-delà de ce point, les transitions de phase sont impossibles et donc il n’est plus possible de distinguer gaz et liquide.

Caractéristiques microscopiques et propriétés

Les solides sont caractérisés par un agencement des atomes très ordonnés et rapprochés. Il est donc très difficile de les comprimer car il y a peu d’espace entre les atomes. De plus, tous les atomes sont liés fortement les uns aux autres, ce qui confère aux solides une forme propre bien délimitée dans l’espace.

Les liquides sont caractérisés quant à eux par un agencement désordonnés des atomes mais toujours assez rapprochés, ils sont donc également difficilement compressibles. En revanche, les atomes sont peu liés les uns aux autres et les liquides ne possèdent donc pas de forme propre et peuvent d’évaporer facilement.

Les gaz sont caractérisés par un agencement des atomes désordonnés et espacés et peuvent ainsi être comprimé facilement. Les atomes ne sont pas liés les uns aux autres et sont très agités. Pour ces raisons, les gaz se répandent librement et n’ont pas de forme propre sans pouvoir être délimités.

Le verre

Le verre est-il solide ou liquide ? La réponse parait évidente: solide ! Malheureusement, la réalité n’est pas aussi évidente. En effet, le verre serait plutôt un liquide extrêmement visqueux mais là encore, les avis divergent. Du point de vue microscopique, le verre ressemble vraiment à un liquide car il possède des atomes très désordonnés sans aucun schéma répétitif contrairement à un cristal qui lui est bien ordonné et appartient donc à la famille des solides. Du point de vue thermodynamique, là encore il est difficile de trancher, le verre est fabriqué à partir d’une phase liquide très chaude qui quand on la refroidit et ne subit pas la transition de phase normale vers le solide (cristal) mais une transition dite « vitreuse » et caractéristique du verre.

Mais attention tout de même, contrairement à certaines croyances, le verre ne coule pas et si les vitres de Versailles sont plus épaisses en bas qu’en haut ce n’est pas parce que le verre a coulé mais à cause du procédé de fabrication de l’époque.

La matière molle

Le problème est que les 3 états que je qualifie de « classiques » ne suffisent parfois pas à bien caractériser un état de la matière. Même des choses communes posent parfois problème. Par exemple, comment qualifieriez-vous la mousse à raser, du dentifrice, un gel douche ou bien de la gelée alimentaire ? La réponse n’est pas si aisée, surtout si on y regarde de plus près au microscope. En fait, on qualifie ces matières de « molles ».

La matière molle est une appellation qui regroupe les colloïdes (substances ayant 2 phases dont les particules d’une phase sont très petites et diffusées dans l’autre phase comme une mousse au chocolat), les cristaux liquides (les écrans de vos montres électroniques) et les polymères (ensemble de macromolécules comme les plastiques). Cette physique de la matière molle est très récente et a émergée il y a une quarantaine d’années, particulièrement avec le prix Nobel de physique français Pierre-Gilles De Gennes. L’étude de la matière molle constitue toujours un intérêt majeur pour la recherche qui ne cesse de progresser dans la compréhension de ces états de la matière qui intriguent.

Le plasma

Le plasma est un quatrième état de la matière bien à part qui est caractérisé par le fait que les électrons peuvent se mouvoir librement alors que dans les trois autres phases classiques (solide, liquide et gaz), les électrons sont liés aux noyaux des atomes en gravitant autour. Les plasmas sont obtenus en portant à très haute température un gaz ou en appliquant un important champ électrique, on parle alors de gaz ionisé.

Les plasmas sont très répandus dans l’univers (étoiles, quasars, pulsars)  mais sont également présents dans des phénomènes naturels terrestres comme les aurores boréales ou plus simplement les éclairs. Dans les applications domestiques, certains téléviseurs plats (écrans plasmas) utilisent cet état de la matière ainsi que dans ces fameuses « boules à plasma » qu’on trouve dans certains magasins de gadgets.

Superfluide

Il existe également d’autres états bien distincts des autres par leurs propriétés exceptionnelles. C’est le cas des superfluides qui ne présentent pas de viscosité (ils s’écoulent parfaitement) à très basse température. Ce phénomène est observé uniquement en laboratoire et se produit avec de l’hélium refroidi en dessous de -271°C (2,2 K). Voir un de mes billets précédents sur les supers états.

Il existerait également un phénomène analogue sur les solides (supersolides) mais les observations sont encore controversées… Affaire à suivre.

Tout cela pour vous faire comprendre que la matière est parfois plus complexe qu’il n’y parait et que même les physiciens ont du mal à classer et comprendre toutes ces formes de matière parfois étranges.

La semaine dernière, le CERN annonçait fièrement que le LHC avait atteint ses objectifs pour 2010 : la machine a délivré 2 inverse picobarns aux différents détecteurs, or, la plupart des gens n’ont jamais entendu le mot « picobarn » de leur vie… La raison est simple: peu de gens sont physiciens des particules !

Collision proton-proton dans le détecteur CMS du LHC le 9 Juillet 2010. © CERN.

Je n’appartiens pas non plus à la catégorie des physiciens des particules, néanmoins j’entends souvent ces mots au CERN lors de communiqués officiels comme celui-ci.  J’ai donc cherché à savoir ce que se cachait derrière ces mots abscons pour nous autres, les personnes « normales ».

Le Barn

Le barn est tout simplement une unité de surface étant de l’ordre de la section géométrique du noyau d’un atome. En gros, vous prenez le noyau d’un atome (ayant un rayon d’environ 10^-12 cm), vous le coupez en deux et la surface de cette coupe est environ égale à 1 barn, soit 0,00000000000000000000001cm², ou plus simplement 10^-24 cm². Par exemple, le noyau d’un atome d’uranium (un des plus gros noyaux) possède une section géométrique de 1,5 barn.

Section efficace et géométrique

Le problème c’est que lorsqu’on observe des réactions nucléaires (interactions entre les noyaux des atomes), ou des collisions de particules entres elles ou contre des cibles, les atomes paraissent avoir une section plus grande ou plus faible selon les phénomènes observés. Pour rendre compte de ce problème, les physiciens ont alors introduit une section dite efficace, plus significative que la section géométrique réelle des noyaux des atomes. La section efficace d’un noyau, représentée par la lettre grecque sigma, n’est pas constante pour une particule donnée et est finalement assez peu dépendante de la taille réelle du noyau mais varie significativement selon sa vitesse et le type de réaction ou collision.

Cette section efficace rend compte de la probabilité d’interaction d’une particule pour une réaction précise (une collision, une réaction nucléaire, etc). Plus la section efficace est élevée, plus la réaction étudiée a des chances de se réaliser. Par exemple, la section efficace de l’absorption d’un neutron lent dans la matière est supérieure à 1000 barns alors que la section efficace des phénomènes étudiés dans les collisions des accélérateurs de particules comme le LHC est de l’ordre du picobarn (10^-12 barn), voir du femtobarn (10^-15 barn).  Un femtobarn, c’est comme si les noyaux étaient un million de milliards de fois plus petits (et dieu sait s’ils sont déjà petits).

Autant dire que les accélérateurs recherchent des évènements extrêmement rares à observer dans une collision. Prenons le cas du LHC et du fameux boson de Higgs tant recherché. Nous ne connaissons pas encore sa masse exacte, si elle existe, mais on peut toutefois calculer la section efficace de différents phénomènes pouvant lui donner naissance dans le LHC. La figure ci-dessous nous dit que la section efficace du boson de Higgs pourrait se situer entre 10 picobarns et 0,1 femtobarn selon les différents phénomènes possibles si sa masse est comprise entre 300 GeV et 1000 GeV. Autrement dit: Il faut enregistrer au moins dix milles milliards de collisions pour avoir la chance de voir un Higgs !!!

Sections efficaces possibles pour la production d’un boson de Higgs dans le LHC en fonction de la masse de ce dernier. Dan Green, Fermilab (2005)

La luminosité

On aura donc compris la chose suivante: ce qui intéresse les accélérateurs de particules, c’est de produire le plus de collisions possibles.

Pour évaluer cette capacité, on calcule une grandeur appelée luminosité. Le principe en est simple : compter le nombre de particules qui se croisent dans un cm² à chaque seconde. Ainsi, la luminosité est calculée par la formule suivante :

avec f la fréquence de croisement des paquets de particules, n le nombre de particules par paquet et A la section géométrique du faisceau de particules. Dans le cas du LHC, au point nominal, on obtient :

Ce grand chiffre signifie que dix millions de milliards de milliards de milliards de particules se croisent dans un centimètre carré toute les secondes dans le LHC…

Luminosité intégrée

Le paramètre intéressant à calculer par la suite est naturellement la luminosité intégrée qui correspond à la luminosité accumulée dans le temps (c’est-à-dire la luminosité multipliée par le temps de collision de la machine). Si on reprend le cas du LHC au point de fonctionnement maximum, en 90 secondes, la machine peut ainsi fournir une luminosité intégrée de 1,3*10³⁴ * 90 = 10³⁶ cm^-2. Pour plus de facilité, on convertit ce chiffre en barn inverse (1 b^-1 = 10²⁴ cm^-2), on obtient alors une luminosité intégrée de 10¹² b^-1 = 1 pb^-1, soit un inverse picobarn pour 90 secondes de collision dans le LHC.

Le 10 août dernier, un détecteur de particules du LHC, ATLAS, annonçait avoir franchis la barre de 1 inverse picobarn. © ATLAS.

Etat des lieux du LHC

En ce mois d’octobre, le LHC a accumulé 2 inverse picobarns depuis sa mise en route fin mars 2010 car la machine ne fonctionne pas encore à sa luminosité maximale. Cependant, cette machine fonctionne de mieux en mieux : entre mars et août, le LHC avait fournit environ 1 inverse picobarn alors que  la semaine dernière, il lui a fallu seulement 13h pour fournir un autre inverse picobarn (la luminosité maximale était de 10³², soit 100 inverse microbarns par seconde). A titre de comparaison, il a fallu 2 ans au Tevatron  pour atteindre cette luminosité (l’autre grand accélérateur de particules aux Etats-Unis).

L’objectif du LHC pour 2010 a ainsi été accompli en ce mois d’octobre (2 inverse picobarns). Pour 2011, la machine doit atteindre un total de 1 inverse femtobarn, soit 500 fois plus. Il ne faut pas oublier que la plupart des particules recherchées par les détecteurs du LHC sont  produites par des collisions ayant une section efficace entre 1 picobarn et 1 femtobarn, il faudra donc attendre que cette quantité de données soit dépassée pour pouvoir annoncer des résultats sérieux. A suivre en 2011...

Etat du LHC en ce dimanche 24 octobre au soir : les détecteurs ont une luminosité d'environ 100 inverse microbarn par seconde chacun.