IN2P3 50 ANS DE PHYSIQUE

L’Histoire du laboratoire a commencé en 1958 avec la création d’une maîtrise de Conférences à Bordeaux pour Raymond Chastel qui, nommé ensuite professeur, crée un laboratoire de Physique Nucléaire implanté dans les sous-sols de la Faculté des Sciences, dans les locaux de l’actuel Musée d’Aquitaine. Puis expérimentateurs et théoriciens se déplacent au début des années 60 dans les nouveaux locaux qui venaient juste d’être achevés à la Faculté à Talence. Ils sont rapidement rejoints en 1962 par une équipe de Chimie Nucléaire.

Il s'agit de l’interprétation des propriétés des premiers niveaux excités des noyaux pair-pair des régions intermédiaires entre les couches magiques et les zones de grandes déformations.

Expérimentateurs et théoriciens se déplacent dans des nouveaux locaux à la Faculté de Talence, rejoints par une équipe de Chimie Nucléaire .

Devant l’expansion rapide des activités, la Physique Nucléaire expérimentale et théorique, opère un déménagement durant l’année 1966 sur le domaine du Haut Vigneau à Gradignan. Le laboratoire démarre donc son activité sur le campus de Gradignan début 1967, après plus de deux ans de rénovation et construction des nouveaux bâtiments devant abriter les activités expérimentales. S’opère alors une séparation avec les théoriciens qui créent en parallèle le Laboratoire de Physique Théorique (implanté dans le bâtiment du Solarium sur le même site).

Initialement installé sur site pour la recherche en physique nucléaire, le VDG a ensuite été mis en œuvre pour son potentiel d’utilisation dans toutes les techniques d’analyse de matériaux par faisceaux d’ions. Celles-ci ont connu un essor dans les années 1980, et ont débouché ensuite sur la construction de la première microsonde nucléaire réellement opérationnelle en France au début des années 1990.

Ces gaz entrent dans la composition chimique des matériaux extraterrestres (météorites ou roches lunaires) 

Ces mesures de la durée de vie des noyaux composés sont réalisées par spectroscopie X dans la réaction 106CD (p,p') 106CD.

Couplage des méthodes propres à la Chimie Nucléaire (utilisant des traceurs radioactifs, des pré-concentrations chimiques sélectives) et la méthode PIXE auprès du Van de Graaff pour mesurer des éléments traces à des concentrations du ng/g

La description à basse énergie des noyaux dans l'approximation de champ moyen auto-cohérent avec corrélations d'appariement a franchi une étape dans son succès avec la bonne description des propriétés de très grandes déformations dans la fission grâce à une nouvelle paramétrisation de l'interaction effective phénoménologique de Skyrme.

Les météorites sont des objets très étudiés, car certaines d’entre elles dites primitives (ex. : chondrites charbonnées). Elles contiennent des informations sur la formation du Système Solaire il y a 4.6Ga. Après plusieurs Ga passés essentiellement dans la ceinture d’astéroïdes, les corps parents vont se fragmenter suite à une collision et donner naissance à des météorites qui vont finir par croiser l’orbite terrestre. Elles laissent ainsi la possibilité aux rayonnements cosmiques d’interagir et de produire des gaz rares par réactions nucléaires. C’est cette histoire d’irradiation qui est étudiée à Bordeaux et qui s’étale entre 0.5Ma et 1.2Ga pour la plus ancienne. Par exemple, l’étude menée dans la météorite Knyahinya montre une augmentation de la concentration des gaz rares avec la profondeur qui est due à l'apparition de flux secondaires de protons et de neutrons. La confrontation avec des modèles d’interactions matière-rayonnement permet de remonter au temps de présence terrestre, à l’âge d’irradiation, à la taille et la forme préatmosphérique, à son histoire (fractionnements multiples) et à l’évolution des rayonnements cosmiques.

La fragmentation d'un faisceau accéléré d’ions lourds dans une cible est la réaction la plus efficace pour produire les noyaux atomiques les plus exotiques. Pour sélectionner les noyaux d'intérêt, souvent les plus éloignés de la stabilité et donc produits en très petits nombres, une collaboration dirigée par J.-P. Dufour a mis en place une méthode de séparation et de sélection qui consiste à placer une feuille de matière (le dégradeur) entre deux aimants magnétiques. La perte d'énergie et la rigidité magnétique permettent de sélectionner principalement le noyau d'intérêt, parmi la quantité des noyaux produits par la fragmentation. Cette technique de sélection, développée sur le séparateur LISE du GANIL est aujourd'hui utilisée dans tous les laboratoires du monde entier utilisant les réactions de fragmentation (GSI en Allemagne, MSU aux USA, RIKEN au Japon, Lanzhou en Chine...) et a très largement contribué à la découverte et à l’étude de nouveaux noyaux, toujours plus exotiques.

La ligne microfaisceau implantée sur l'accélérateur de type Van de Graaf du CENBG est la première microsonde nucléaire en France. Elle a été conçue tout particulièrement pour l'imagerie des éléments chimiques dans les échantillons biologiques (balayage rapide). En 1989, les tests expérimentaux ont été menés et une résolution spatiale de 1,5 µm a été atteinte avec une intensité de 40pA. Avec des protons et des particules alpha de 2 MeV, la surface scannée ne peut pas dépasser 1 mm2.

La cellule ARCANE propose depuis 1990 des analyses, études et expertises dans tous les domaines touchant à l’utilisation de faisceaux d’ions légers de basse énergie (analyses, irradiations, étalonnages de radiamètres), ou à la radioactivité environnementale (prélèvements, spectrométrie gamma sous accréditation COFRAC et agréments ASN, conseil en radioprotection).

Avec la microsonde nucléaire mise au point au CENBG, des cellules en culture ont pu être cartographiées pour visualiser la pénétration de drogues anticancéreuses (tels que le CisPt) dans des cellules tumorales.

Création du Laboratoire de Chimie Nucléaire Analytique et Bio-environnementale et de ses trois équipes : Cosmochimie, datation et Géochimie environnementale . Chimie pour le Vivant . Environnement et Chimie Nucléaire.

Les meilleures limites 0nu pour le 100Mo, 96Zr, 116Cd, 82Se.

Lors de la fission, les deux fragments du noyau se repoussent violemment. Ces noyaux sont fortement chargés positivement et émis avec une grande énergie cinétique. Ils créent un plasma lorsqu’ils pénètrent dans la matière, et les charges créées sont naturellement collectées par effet entonnoir (funneling). Les cellules photovoltaïques permettent de détecter cette charge, fragment par fragment. Ce sont des détecteurs simples, robustes, et très peu coûteux, qui remplacent avantageusement les détecteurs classiques plus fragiles ou complexes.

En 1998, pour la première fois au monde, la technique de tomographie protonique a été mise en œuvre au CENBG pour réaliser des images 3D de cellules humaines isolées. Ces cellules, issues de cultures, ont préalablement subi une préparation pour permettre l’analyse sous vide. L’imagerie 3D a été réalisée en balayant, point par point, toute la surface de la cellule à l’aide d’un faisceau de protons de 3,1 MeV, focalisé jusqu’à un diamètre de l’ordre de 1 micromètre. Des méthodes de traitement de données et de reconstruction d’images sont appliquées pour révéler la structure externe et interne des objets analysés, dont la taille peut aller de quelques micromètres à quelques centaines de micromètres, selon l’énergie et la résolution spatiale du faisceau. La composition 3D peut également être révélée, par analyse des éléments chimiques présents.

La conversion interne est un processus électromagnétique par lequel un état nucléaire se désexcite en éjectant l’un de ses électrons atomiques. Ce processus n’est possible que si l’énergie nucléaire libérée est plus grande que celle qui lie l’électron à l’atome. Un autre mode de désexcitation du noyau est cependant possible lorsque l’énergie de la transition nucléaire est plus petite que l’énergie de liaison des électrons : le noyau peut se désexciter par conversion interne vers des états atomiques liés (BIC: Bound Internal Conversion). Ce mécanisme a été démontré pour la première fois dans le noyau de 125Te qui possède un état excité à 35,492 keV qui décroît essentiellement par conversion interne dans son atome neutre. Si on ionise cet atome, à partir de la charge Q=45, l'énergie de liaison des électrons de la couche K dans l'ion Te, devient supérieure à 35,581 keV, interdisant alors la conversion interne. Des mesures de la demi-vie de ce premier état excité du 125Te faites au GANIL montrent que cette dernière passe de 1,5 ns pour Q=0 à 6 ± 1 ns pour Q=47 et 11 ± 2 ns pour Q=48 démontrant l'existence d'un blocage énergétique de la conversion interne induisant une forte augmentation de la période. Mais cette augmentation de demi-vie n'intervient pas aux états de charge attendus Q=45 et Q=46 à cause de la conversion interne vers des états liés présente chez ces deux ions. Ces mesures de demi-vie associées à la spectrométrie des photons X et gammas émis par les ions 125Te45+ et 125Te46+ démontrent l’existence du processus BIC.

Le mécanisme de génération de moment angulaire dans les fragments de fission repose sur le principe d'incertitude de Heisenberg entre l'orientation des fragments contrainte par leur champ coulombien mutuel et le moment angulaire conjugué.

Dans le cadre de la problématique du stockage des déchets nucléaires, développement de spectromètres de masse de nouvelle génération atteignant des niveaux de sensibilité pour la détection du Kr de quelques centaines d’atomes.

Pour un noyau atomique, les « nombres magiques » de nucléons (neutrons ou protons) correspondent à des niveaux d’énergie remplis (les « couches fermées », à l’instar des électrons de l’atome). Lorsque les couches protons et neutrons sont fermées, le noyau est alors dit « doublement magique ». Ces noyaux sont les pierres angulaires des modèles théoriques permettant de comprendre les interactions entre nucléons et leur structuration au sein du noyau. Le Nickel-48 (ou 48Ni), avec 28 protons et 20 neutrons, est le 10e (et sans doute dernier) noyau doublement magique de la carte des isotopes. Il est de plus le noyau le plus riche en protons de la table des isotopes et présente un intérêt théorique tout particulier : c’est d’une part le seul noyau doublement magique pour lequel le noyau miroir (48Ca avec 20 protons et 28 neutrons) existe, d’autre part, l’élément Nickel est le seul pour lequel 3 isotopes doublement magiques existent : 48Ni, 56Ni et 78Ni. Il aura fallu bombarder de l’ordre de 1019 noyaux stables (58Ni) sur une cible pour que 4 noyaux de 48Ni, produits par fragmentation, aient pu être sélectionnés par le séparateur LISE3 du GANIL et observés sans ambiguïté.

Premiers exemples de spéciation des états redox à l’échelle intra-cellulaire par microsonde de rayonnement synchrotron.

L’émission par la nébuleuse du Crabe de rayons gamma d’énergies supérieures au TeV a été découverte en 1989 par l’observatoire Whipple tandis que l’émission au-dessous du GeV était mesurée pas le télescope spatial EGRET. Le télescope Tcherenkov au sol CELESTE mis en service en 1999 a permis l’observation gamma entre 1 GeV et 100 GeV.

Etude d'une nouvelle approche des corrélations d'appariement au-delà du champ moyen nommée HTDA (Higher Tamm-Dancoff or Highly Truncated Diagonalization Approach) ne brisant pas le nombre de particules comme BCS ou Bogolyubov.

Les plasmas sont un milieu intéressant pour la prochaine génération d'accélérateurs de particules car ils peuvent supporter des champs électriques supérieurs à plusieurs centaines de gigavolts par mètre. Ces champs accélérateurs sont générés par des ondes plasma relativistes (oscillations des charges d'espace) qui peuvent être excitées lors de la propagation d’une impulsion laser de haute intensité à travers un plasma. Ces ondes plasmas relativistes peuvent alors piéger et accélérer les électrons présents et former de gigantesques courants. Lorsque la longueur de l'impulsion laser ultra courte est du même ordre que celle de la longueur d'onde du plasma, il se produit des déferlantes d’ondes plasma capables d’accélérer des électrons jusqu’à plusieurs centaines de MeV. Ce régime dit « de champ de sillage forcé », a été obtenu pour la première fois en faisant interagir le laser 1J 30 fs du Laboratoire d’Optique Appliqué (LOA) avec un jet supersonique d’hélium, accélérant ainsi un paquet intense d’électrons jusqu’à 200 MeV.

La radioactivité par émission directe de 2 protons est un phénomène exotique rendu possible, pour des noyaux au-delà de la limite de cohésion nucléaire (« drip-line ») ayant un nombre pair de protons. De tels noyaux doivent leur existence, pour un temps très court, à la combinaison des effets de barrière coulombienne (due à la charge électrique des protons) et d’appariement des nucléons. Ce mode de décroissance, prédit théoriquement dans les années 60, a été mise en évidence pour la première fois par l’équipe « Noyaux Exotiques » en 2002, dans 2 expériences (au GANIL et au GSI), pour le noyau 45Fe. Il s’agissait d’une observation indirecte, basée sur des mesures de durées de vies et d’énergie totale de la transition. Depuis, cette radioactivité a pu être observée de façon similaire sur 3 autres noyaux : 48Ni et 54Zn (au GANIL en 2005) et 67Kr (au RIKEN – Japon, en 2016). L’équipe a depuis développé de nouveaux instruments permettant l’observation directe de chacun des protons émis (pour 45Fe en 2007 et 54Zn en 2011, au GANIL) afin d’étudier dans le détail ce phénomène rare.

La plateforme AIFIRA (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine) repose sur un accélérateur électrostatique simple étage délivrant des faisceaux d’ions légers (H+, D+, He+) dans la gamme du MeV. Les 5 lignes de faisceau développées par les équipes de recherche et les services techniques du CENBG permettent de mettre en œuvre des techniques d’irradiation, d’analyse et d’imagerie par faisceau d’ions pour des programmes de recherches académiques et les entreprises. Ces techniques sont utilisées dans une large gamme d’applications : la recherche sur les matériaux, les sciences de la vie, l’environnement, la géologie et la géochimie, l’archéométrie et la physique appliquée.

GLAST devient Fermi après sa mise en route en août

Constitution d'une souchothèque de bactéries plus ou moins radiorésistantes.

L’expérience NEMO3 a recherché la décroissance double bêta sans émission de neutrinos de plusieurs isotopes dans le but de sonder la nouvelle physique au-delà du Modèle Standard et contraindre les propriétés du neutrino (sa nature et sa masse), permettant ainsi d'amener des éléments de réponse sur l’évolution de notre Univers. Après 7 ans de fonctionnement, le détecteur NEMO3, installé au Laboratoire Souterrain de Modane, a permis d’obtenir les meilleures limites mondiales sur la décroissance double bêta sans émission de neutrinos du 100Mo, 82Se, 150Nd et 96Zr. L'expérience a aussi pu mesurer avec précision les périodes de décroissances double bêta avec émission de neutrinos de ces isotopes, parmi les plus longues connues à ce jour, supérieures à 1 milliard de milliards d'années !

PRISNA (Plateforme Régionale Interdisciplinaire de Spectroscopie Nucléaire en Aquitaine) est une plateforme de mesures de très faibles niveaux de radioactivité? implantée au CENBG depuis 2009. Elle est née d’une collaboration interdisciplinaire entre des laboratoires de recherche bordelais travaillant sur les mesures de spectrométrie gamma bas bruit de fond dans différentes disciplines : physique du neutrino, océanographie, archéométrie, datation et recherche de fraudes, environnement. Elle héberge plusieurs détecteurs Germanium de très haute sensibilité (inférieure à 0,05 Bq/kg pour les chaînes radioactives naturelles de l’Uranium 238 et du Thorium 232) ainsi qu’un équipement de mesure d’émanation du Radon très sensible (quelques dizaines d’atomes de Radon 222 par mètre carré). Grâce à sa polyvalence pour la métrologie des radio-isotopes à l’état de traces, elle a permis entre autres de sélectionner de nombreux matériaux pour les expériences SuperNEMO et JUNO en physique du neutrino.

Marianne Lemoine-Goumard obtient une ERC "starting grant" pour son projet P-WIND (Cosmic-ray accelerator and their relation to pulsar wind nebulae)

Mise en évidence de l’accumulation du manganèse dans l’appareil de Golgi des neurones à dopamine par nanosonde de rayonnement synchrotron et implication dans l’étiologie de la maladie de Parkinson.

Depuis le décollage en 2008 du télescope spatial Fermi, le nombre de sources connues émettrices dans la gamme des rayons gamma a considérablement augmenté. Un catalogue de l’ensemble des sources détectées par le Fermi-LAT est publié régulièrement pour tenir compte de l’accroissement de la signification statistique. Par ailleurs, des catalogues correspondant à des classes d’objets particuliers (pulsars, noyaux actifs de galaxies, restes de supernovæ, …) sont élaborés. Ces catalogues constituent des références pour l’ensemble des communautés d’astrophysique.

Grâce à une résolution spatiale sans précédent (25 nm) atteinte sur la ligne de nano-imagerie ID16A de l'installation de rayonnement synchrotron (ESRF), la distribution des métaux biologiques a été décrite pour la première fois à l’échelle de la synapse neuronale. Ces résultats indiquent un rôle nouveau du cuivre et du zinc dans la plasticité morphologique des synapses, par interaction avec les protéines du cytosquelette F-actine et tubuline.

Il s’agit du développement d’un formalisme microscopique dans le cadre du modèle en couches nucléaire permettant la description de la brisure de la symétrie d’isospin dans les états nucléaires avec une grande précision pour de nombreuses applications. Une étude approfondie a été menée sur l’émission de proton et l’émission gamma retardées par l’émission bêta. En particulier, une nouvelle méthode pour déterminer la valeur de l’impureté en isospin dans les états isobariques analogues a été proposée. Finalement, des calculs alternatifs de la correction nucléaire aux transitions bêta de type Fermi 0+->0+ (due à la brisure de symétrie d'isospin) ont été effectués. Ces corrections sont indispensables pour les tests des symétries fondamentales du Modèle Standard (l’hypothèse de courant vectoriel conservée et de l’unitarité de la matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa).

Une réaction induite par neutron forme un noyau intermédiaire, dit composé, avant de se désexciter en fissionnant, ou en émettant des gammas ou un neutron. L’utilisation d’une réaction nucléaire alternative peut permettre de former le même noyau composé, et donc d’accéder à des propriétés nucléaires autrement difficile d’accès. Cependant, certains effets quantiques diffèrent entre les noyaux composés formés, ce qui peut fausser grandement certaines observables comme la section efficace de capture.