IN2P3 50 ANS DE PHYSIQUE

Pour les besoins de leurs recherches sur la synthèse atomique, Frédéric et Irène Joliot-Curie, récents prix Nobel de Chimie en 1935, mettent au point dans leur nouveau laboratoire Ampère à Ivry-sur-Seine un générateur de haute tension de type Marx à 20 étages, ancêtre des premiers accélérateurs de particules français. La machine, qui s'élevait sur près de 18 m de hauteur et atteignait une tension de 3MV, fut l'attraction phare de l'exposition universelle en 1937 à Paris. Le jeune Robert Doisneau est venu photographier cet « éclateur » pour y consacrer toute une série de clichés, publiée en 1942, dans un univers digne de la science-fiction.

Lorsqu’il est ensuite nommé professeur au Collège de France cette même année 1937, Frédéric Joliot veut disposer d'un cyclotron, machine révolutionnaire et compacte faisant tourner les particules en spirale et permettant ainsi d’atteindre facilement de bien plus hautes énergies que les générateurs de haute tension et autres machines électrostatiques. Il fait appel pour cela à Ernest O. Lawrence, l'inventeur des premiers cyclotrons à Berkeley au début des années 30, qui lui envoie des plans. Le premier cyclotron Français est ainsi construit à Zurich et installé dans le sous-sol d'un nouveau bâtiment du Collège de France en 1939. Cette même année, Lawrence reçoit son prix Nobel de Physique. Le cyclotron de Joliot produira ses premiers protons de 7 MeV pendant la guerre et fonctionnera au Collège de France jusqu'en 1958, puis à Orsay jusqu'en 1966. Il est aujourd'hui exposé au musée des Arts et Métiers à Paris.

L’un des plus anciens accélérateurs de particules au monde se trouvait à Strasbourg. Il était de type Cockcroft-Walton, du nom de ses inventeurs qui avaient mis au point le premier prototype de cette étrange machine en 1932 et qui obtiendront le prix Nobel en 1951. Installé par la société Philipps à la demande des allemands en 1944, il ne fut alors utilisé que quelques dizaines d’heures, entre deux bombardements, pour la production d’isotopes à des fins d’expérimentation médicale. Remis en service à la fin des années 40, il sera le germe du Centre de Recherche Nucléaire (CRN) de Strasbourg (futur IPHC), qui ouvrira en 1959. Les Cockcroft-Walton, dont quelques autres exemplaires seront construits en France (comme à Lyon), s’avèreront cependant rapidement limités en termes de tension (autour du MV), du fait des claquages électriques générés par la structure. Cette limitation sera repoussée jusqu’à la dizaine de MV grâce au développement des accélérateurs électrostatiques de type Van de Graaf, qui utilisent une courroie isolante pour transporter la charge vers le terminal haute-tension ainsi qu'un tube accélérateur rempli de gaz comprimé isolant. Les Van de Graaf, commercialisés par la société HVEC à partir de 1947, vont supplanter les Cockroft-Walton et rapidement fleurir dans les laboratoires Français dès les années 50.

Pendant l’instruction du dossier du CERN en 1954 par l’Assemblée Nationale, Irène Joliot-Curie, dans une tribune au Monde, argumente que la participation des scientifiques français ne pourrait devenir significative et excellente que si elle repose sur des accélérateurs modernes et performants dans les laboratoires Français. Ces grands instruments ne pouvant se construire à Paris intra-muros, le site d’Orsay est choisi côté CNRS pour la construction de deux nouveaux laboratoires : les équipes du laboratoire de physique de l’Ecole Normale Supérieure, menées par Yves Rocard, disposeront d’un accélérateur linéaire d’électrons tandis que Irène sélectionnera un synchro-cyclotron à protons pour ses équipes du Laboratoire Curie de l’Institut du Radium. Afin d'assurer la réalisation de ces machines, qui produiront des gammes de faisceaux complémentaires à ceux du CERN, une équipe d'ingénieurs accélérateurs est mise en place dès 1955. Les fondations des premiers bâtiments sortent rapidement de terre et les premiers physiciens arrivent à Orsay en 1957. Côté CEA, vu l’espace limité des premières expériences à Fontenay-aux-Roses, le site pour un nouveau grand centre avait déjà été choisi quelques années auparavant : le CEN du plateau de Saclay ouvre en 1952. L’accélérateur choisi pour le CEA sera un synchrotron à protons de 3 GeV afin de couvrir le domaine d'énergies intermédiaires entre les deux machines du CERN, le synchro-cyclotron et le PS. La décision de construire SATURNE est prise en 1955, sous l’impulsion notamment du chef du Service de Physique Nucléaire du CEN, André Berthelot, et le synchrotron, construit par Alsthom, entrera en service en 1958. Pour les besoins de la physique nucléaire, le CEA se dotera aussi entre autres, une dizaine d'années plus tard en 1969, de l'Accélérateur Linéaire de Saclay (ALS), qui s'avèrera très performant et délivrera son dernier paquet d’électrons de 600 MeV début 1990 à l'Orme des Merisiers. Pour la petite histoire, les sites de Saclay et Orsay ont été choisis car les Joliot-Curie habitaient à Antony et utilisaient la ligne de Sceaux - aujourd’hui le RER B - pour se déplacer à Paris. Irène adorait monter depuis Orsay au plateau pour s’y promener, et elle aurait songé au site dès 1942 !

Frédéric Joliot, qui assure depuis le décès d’Irène en 1956 la direction de l’IPN Orsay, participe à la mise en service du synchro-cyclotron à protons de 160 MeV (en s’enfermant dans la casemate accélérateur avec un détecteur). Robert Klapisch et René Bernas y connecteront en 1965 un séparateur de masse en ligne (Isocele), qui constituera le premier système ISOL ('Isotope Separation On-Line') en France, ancêtre de nombreux équipements toujours actuels. Cet accélérateur sera utilisé par les physiciens jusqu’en 1990 (avec une rénovation en 1977 pour atteindre 200 MeV) avant d’être cédé au Centre de Protonthérapie d’Orsay où il sera utilisé jusqu’en 2010, grâce au soutien continu des équipes de l'IPN, pour le traitement des patients atteints du cancer. Cette même année 1957, Frédéric Joliot décide également que le cyclotron à ions lourds (ou CEV pour Cyclotron à Energie Variable), imaginé par Irène quelques années auparavant, sera construit. Il commande le gros électro-aimant de la machine à la société Philipps mais le projet est ensuite mis en sommeil. Il sera relancé par Jean Teillac quelques années plus tard.

Après un premier faisceau d’électrons de 3 MeV obtenu en 1958, la construction des étages de l’accélérateur linéaire radio-fréqencee du LAL se poursuit sous la direction de Hans Von Halban. Un premier faisceau de 165 MeV est obtenu en 1960, puis en 1964 l’énergie de 1.3 GeV est atteinte, ce qui constitue alors un record mondial. Cette solution du ‘linac’ (pour 'linear accelerator') s’avère très modulable et très efficace pour produire des particules ultra-relativistes de haute énergie avec des courants intenses, sans souffrir des nuisances provoquées par le rayonnement synchrotron des machines circulaires (ce rayonnement, observé pour la première fois sur un synchrotron d’électrons de General Electric aux États-Unis en 1947, fait en effet perdre de l'énergie aux particules dont la trajectoire est courbée). Le linac du LAL atteindra in fine son énergie ultime de 2.3 GeV en 1968.

En parallèle, au laboratoire National de Frascati à l’INFN, Bruno Touschek lance en 1960 le premier projet mondial d’anneau de collisions électrons/positons AdA (Anello d'Accumulazione). Après avoir réussi à faire circuler dans la même machine électrons et positons simultanément, la décision est prise en 1962, sous l’impulsion de Pierre Marin et B. Touschek, de déménager AdA à Orsay afin de mettre en évidence des collisions en bénéficiant de la forte intensité du linac. Des expériences historiques de physique des anneaux collisionneurs sont alors entreprises (à titre d’exemple: l’effet Touschek) et les premières collisions au monde entre électrons et positons sont réalisées en 1963. La source positons ne fait que 250 MeV à cette époque, AdA étant un collisionneur de 500 MeV dans le centre de masse. Pour explorer la physique à 1 GeV, la construction d’un nouvel anneau dédié est décidée: ce sera l’anneau ACO (Anneau de Collisions d’Orsay).

ACO entre en service en 1965 et produit ses premières collisions en 1967, après presque 2 ans de réglage complexe sous la direction de Pierre Marin. Avec une énergie allant de 250 à 550 MeV par faisceau, ACO est le premier accélérateur au monde, avec celui de Novosibirsk en Sibérie, à pouvoir effectuer des collisions électrons positons à une énergie suffisante pour provoquer leur annihilation. On pouvait ainsi créer et étudier de nouvelles particules, les mésons, qui jouent un rôle important dans la structure des noyaux atomiques. Son utilisation pour la physique des particules durera jusqu’en 1975, où il sera remplacé par le DCI (Dispositif de Collision dans l’Igloo) de 1,85 GeV. ACO fut aussi le premier accélérateur européen ayant utilisé (en mode "parasite") le rayonnement synchrotron, lumière très intense allant de l’infra-rouge jusqu’aux rayons X, pour des expériences de physique. En 1963, Yvette Cauchois fut la première chercheuse à vouloir utiliser ce rayonnement sur ACO, alors en construction, mais ce n'est qu'en 1971 qu'une première ligne de lumière sera installée. ACO sera transformé en source de lumière en 1975 et utilisé jusqu’en 1988 où il sera définitivement arrêté pour faire place aux sources de lumières modernes dont il est le précurseur.

L’année 1985 signe la fin d’une époque pour les laboratoires d’Orsay, qui perdent leurs grands accélérateurs… L’IPN ferme ALICE et perd aussi, quelques années plus tard, son synchro-cyclotron, tous deux dépassés par les machines des laboratoires nationaux GANIL et SATURNE. La même année 1985, le LAL abandonne ses machines de physique des particules et les transfère au LURE, créé en 1976. Sous l'impulsion de Yves Farge et Yves Petroff, et grâce aux équipes des physiciens accélérateur du LAL, menées par Pierre Marin et Michel Sommer, le LURE était rapidement devenu un laboratoire pionnier dans le domaine des sources de lumière, avec la réalisation d’un certain nombre de premières mondiales. Sur l’anneau ACO par exemple, la mise en œuvre du premier "onduleur" en 1978 avait mené à l’invention du Laser à Electrons Libres (LEL), dispositif capable de produire un rayonnement électromagnétique très puissant et cohérent à partir de faisceaux d’électrons relativistes passant dans des champs magnétiques intenses et alternés. L’anneau DCI, de son côté, possédait le record du monde pour la durée de vie du faisceau : injecté une fois par semaine, le lundi, il était utilisable, jour et nuit, jusqu'au samedi matin. La raison de ce record n'est pas banale : un jour, Pierre Marin se mit en tête de produire le rayonnement synchrotron avec des positons; idée saugrenue a priori... mais qui permit de muliplier par 10 la durée de vie du faisceau, les courants de positons interagissant moins que les électrons avec les gaz résiduels de l'anneau! A partir de ces premiers résultats et grâce aux travaux des spécialistes des anneaux de stockage du LAL qui montrèrent qu'il était possible de réduire de façon très significative l’émittance des faisceaux et, corrélativement, d'augmenter d'autant la brillance de la lumière émise, les équipes du LURE purent alors ouvrir la voie vers les anneaux de lumière ‘de troisième génération’, optimisés pour la production de rayonnement synchrotron. La stratégie française se dessina rapidement autour de deux projets : d'une part, une source dans le domaine des rayons X ‘mous’ qui devait remplacer ACO - le projet Super-ACO à Orsay - et d’autre part, une machine ambitieuse dans le domaine des rayons X plus énergétiques, dont le coût excédait les moyens nationaux et qu'il fallait donc envisager au niveau européen, l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) à Grenoble. Basé sur un synchrotron à électrons de 6 GeV, le projet démarre officiellement sa construction en 1988, sous la direction magistrale de Jean-Louis Laclare, déjà concepteur de SATURNE-II et futur concepteur de SOLEIL. L'ESRF sera inauguré en 1994. En Décembre 2003, à Orsay, le LURE cessera définitivement l'exploitation de ses deux synchrotrons et de son linac (dont le démantèlement prendra une dizaine d'années) et fermera ses portes. Les équipes du LURE rejoindront alors le tout récent synchrotron SOLEIL, dont la construction est décidée en 2000 à Saclay (et non sur le site du GANIL comme initialement prévu!). SOLEIL sera inauguré en 2006.

À l'été 1989, les premières collisions électron-positron autour de 90 GeV sont effectuées par le LEP, le nouvel accélérateur gigantesque du CERN et ses 27km de circonférence. Les quatre expériences ALEPH, DELPHI, L3 et OPAL observent rapidement les premiers bosons Z0 produits. À la fin de l'année, chacune d'entre elles avait enregistré plus de 30000 Z?. Au moment de l'inauguration officielle du LEP en novembre, l'un des résultats les plus importants apporté par cette nouvelle machine est déjà tombé, grâce à l'étude des désintégrations des bosons Z0: il n'existe que trois types de neutrinos légers, et donc trois familles de fermions. À partir de 1995, l'énergie de la machine est progressivement accrue par l'ajout de cavités accélératrices: 140 GeV en 1995, 161 GeV en juin 1996 ce qui permet de produire des paires de bosons W, puis jusqu'à 209 GeV en mai 2000, période durant laquelle chaque GeV compte dans l'espoir de trouver le boson de Higgs. Cette quête restera infructueuse au LEP, néammoins ses expériences ont eu une  moisson de résultats impressionnante, qu'il s'agisse des études de précision du secteur électrofaible, de l'étude des hadrons beaux (avec un quark b) ou de l'exploration pour la recherche d'une nouvelle physique. Environ 150 physiciens et physiciennes de l'IN2P3 ont participé à cette aventure, pour l'essentiel sur les expériences ALEPH (LAPP Annecy, LPC Clermont, CPPM Marseille, LAL Orsay, X Palaiseau) et DELPHI (ISN Grenoble, IPNL Lyon, CPPM Marseille, LAL Orsay, LPNHE Paris, CdF Paris, CRN Strasbourg), ainsi qu'à L3 (LAPP Annecy, IPNL Lyon).

A la fin des années 80, alors que le Stanford Linear Collider de 50 GeV était mis en service, les grands laboratoires internationaux (CERN, DESY, KEK, SLAC) commencèrent à explorer la faisabilité d’un collisionneur linéaire électron-positon de très haute énergie, seule option raisonnablement concevable pour atteindre l’échelle du TeV (du fait de la limitation des anneaux par le rayonnement synchrotron). L’IN2P3 n’était pas en reste et, en complément de la R&D menée par le GECS, lançait un programme dédié au LAL : R&D sur les structures accélératrices en cuivre à très forts gradients (80MV/m obtenus sur des cavités 3 GHz en 1991), R&D sur les photo-cathodes déclenchées par laser pour le développement de sources d’électrons très intenses et ultra-brèves (projet lasertron puis expérience CANDELA), R&D sur les faisceaux de dimensions sub-microniques au point d’interaction (participation à la collaboraton FFTB à SLAC), ou encore R&D sur les sources de positons par effet de canalisation d’un faisceau d’électrons dans un cristal. Lorsqu'en 1992, DESY lance le projet TTF, destiné à tester les principaux composants de son nouveau concept de collisioneur TESLA (TeV Energy Superconducting Linear Accelerator), le LAL, l'IPN et le CEA rejoignent aussitôt la collaboration internationale et s'associent début 1993 pour étudier et construire l’injecteur. Après le test des différents composants à Orsay et Saclay, l'injecteur de TTF sera installé en 1996 à DESY et produira ses premiers faisceaux début 1997.

En parallèle, les équipes du LAL poursuivaient activement la R&D sur les photo-injecteurs déclenchés par laser. En 2002, ils réalisaient en particulier, pour le Laboratoire de Chimie Physique d’Orsay, l’accélérateur ELYSE, capable de produire des implusions courtes (de 5 à 10 ps) d'électrons de quelques MeV grâce à l'illumination par un laser femtoseconde d’une photocathode en Tellure de Cesium. Ils mettaient ensuite en oeuvre la plateforme de test PHIL (PHoto-Injecteur au LAL), dédiée à la R&D sur les sources d’électrons très intenses et très brèves, qui produit son premier faisceau en 2009. Cette même année, profitant de la montée en puissance de la technologie des lasers et de l’accroissement de la finesse des cavités optiques de type Fabry-Pérot, les équipes du LAL publient le 'Conceptual Design Report' du projet ThomX, démonstrateur de source de lumière X compacte utilisant le principe de diffusion Compton inverse et visant diverses applications (médical, patrimoine culurel, science des matériaux). La construction de ThomX, visant à produire des X durs de plusieurs dizaines de keV grâce à un faisceau d’électrons de 50 MeV, sera officiellement lancé en 2011. L’expertise de niveau international développée par les équipes du LAL sur ces technologies adressant l'interaction Compton les conduira ensuite à participer à divers projets innovants, en particulier autour de la production de rayonnements gamma (expériences à ATF au KEK, projet GBS en Roumanie, projet Gamma Factory au CERN...).

En 2015, une nouvelle période de prise de données, dite Run 2, débutait pour les expériences auprès du LHC. L'énergie des collisions de protons était substantiellement augmentée, passant de 8 à 13 TeV. Cette énergie plus élevée augmente fortement la probabilité de créer des collisions intéressantes pour la physique. Le Run 2 s'est achevé fin 2018. La quantité de données recueillie est largement supérieure à celle du Run 1 (5 fois plus par exemple pour ATLAS et CMS).