IN2P3 50 ANS DE PHYSIQUE

Créé en 1961, l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon, ou IPN-Lyon – aujourd'hui devenu l'Institut de Physique des 2 infinis de Lyon – est inauguré le 22 février 1963. Le laboratoire possède alors 4 axes de recherche : la Physique Nucléaire expérimentale de basse et moyenne énergie, la Chimie Nucléaire, un axe Pluridisciplinaire, et la Physique Théorique. L'IPNL fut le premier laboratoire à s'installer sur le campus de la Doua à Villeurbanne qui accueillait également l’INSA Lyon et par la suite l'Université Lyon 1, et devint rapidement un pôle scientifique important de la région lyonnaise. À l'origine de l'IPNL on trouve l'IPA, l'Institut de Physique Atomique, créé en en 1936 par Jean Thibaud, comme en témoigne l'extrait suivant d'une lettre qu'il écrivit au doyen de la faculté des sciences de Lyon, Victor Grignard : "Mon intention est de créer à Lyon, un centre de recherche de physique moderne (rayons X, étude de l'atome et de ses radiations : positrons, neutrons, rayons cosmiques, transmutations et désintégrations) analogue à celui dont je disposais jusqu'ici au laboratoire de M. De Broglie [...] (et) comparable à ceux qui, pour ce genre d'études n'existent encore en France qu'à la faculté de Paris"

En 1963, le 18 juillet, le synchrocyclotron du laboratoire produit sont 1er faisceau dans le bâtiment du même nom. Il s'agit alors du premier accélérateur de ce type en province qui délivre des protons de 14 MeV, deutons de 28 MeV et hélium de 56 MeV.

À partir de 1965-1966 les physiciens des collisions atomiques, travaillant auprès de l’accélérateur Van de Graaf 2 MV, commencent des études sur les interactions particule-matière. En particulier ils initient des études sur les phénomènes de canalisation ("channeling") dans des cibles cristallines minces, domaine dont ils vont devenir des experts mondiaux. Ces études se prolongeront entre autres avec la hadronthérapie qui constitue aujourd'hui un de ses volets interdisciplinaires.

À ses débuts, l'IPNL comptait 3 bâtiments dédiés à ses accélérateurs : "Haefely", "Van de Graaf" et "Synchrotron". En 1969 un nouveau bâtiment est inauguré : le Dôme. Il est conçu initialement pour recevoir la haute tension de son accélérateur historique Cockroft et Walton 1MV, suite à son remplacement par un Haefely 4MV. Les équipements du Dôme répondent alors aux besoins conjoints de l'IPNL en accélération d'ions lourds et du CERN dans la recherche de solutions pour augmenter l'énergie du pré-injecteur de son synchrotron à proton. En 1974, l'installation éveillera l'intérêt de l'Institut de Génie Nucléaire de Karlsruhe qui, à travers une convention avec l'IN2P3, viendra travailler à la mise au point d'un système d'injection et d'accélération d'agrégats d'hydrogène en vue de son utilisation dans la production d'énergie par fusion nucléaire. Un analyseur magnétique unique au monde avec détection par multiplication d'électrons et jonctions sera mis en place en 1977. Un vaste champ de recherches s'ouvre alors pour l'étude des interactions agrégats-solides et qui restera une activité du laboratoire jusqu'à nos jours et constitue un des segments de ses activités pluridisciplinaires.

Au début des années 70, se crée un laboratoire dédié à l'électronique. Il s'agit du début de la miniaturisation des composants électroniques qui seront utiles dans un premier temps pour les expériences utilisant des chambres à fils – véritable révolution de l'époque qui rendait possible le traitement informatique des données. Au début le groupe développe des circuits d’électronique frontale pour la physique des hautes énergies en train d'émerger. Il s’en suivra, en collaboration avec le CERN, la réalisation de nombreux circuits complexes utilisant la technique des couches épaisses déposées par sérigraphie, utilisées notamment sur le LEP.

En 1972, un groupe de "Recherche Expérimentale sur la Physique des Hautes Énergies" est créé. Il aura vocation à travailler sur les expériences du CERN. La création de ce groupe marque l'entrée du laboratoire dans l'ère de la physique des hautes énergies et des très grands accélérateurs, avec au début des contributions sur les programmes auprès du PS (P17, S143), SPS (WA9, NA8), ISR(R704) puis ultérieurement L3 (LEP) et CMS (LHC). C’est le début de la grande aventure de la recherche sur les constituants fondamentaux de la matière et l'étude du modèle standard de la physique des particules, qui aboutira entre autres à la découverte du Boson de Higgs 40 ans plus tard.

1972 est aussi l'année de création d'un Service des Matériaux Amorphes, SMA, qui évoluera pour donner naissance plus tard au Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA) qui fournit aujourd'hui les miroirs aux expériences de détection d'onde gravitationnelles telles que VIRGO et LIGO. Le SMA faisait une exploration en profondeur des matériaux amorphes depuis leur synthèse jusqu'au dépôt en couches minces avec l'étude des caractérisations physico-chimiques à chaque étape.

En 1975, un groupe Ions Lourds voit le jour à l'IPNL dans la perspective du futur Grand Accélérateur National d'Ions Lourds. Le groupe monte rapidement en puissance avec d'importantes contributions des équipes techniques qui s'investissent notamment sur l'accélérateur SARA à Grenoble (alimentation haute tension). La création du groupe Ions Lourds à l'IPNL s'inscrit dans le tournant qui s'opère à cette époque en physique nucléaire. La discipline accède à de nouvelles approches et à une connaissance plus approfondie de la matière nucléaire, ainsi qu'à de nouveaux modèles théoriques.

En 1980, un groupe Structure Nucléaire par Ions Lourds (SNIL) se forme suite à la fusion sur des sujets communs du groupe de Spectrométrie Nucléaire et du groupe Corrélations Angulaires. Dans le but de produire des noyaux de plus en plus exotiques et d'étudier les rayonnements en ligne, le groupe utilisera les ions lourds et la spectrométrie sur faisceau. Rapprocher les systèmes de détection de la ligne de faisceau devenait en effet nécessaire afin d'accéder à des évènements dont les durées de vie étaient de plus en plus courtes. Ces méthodes débouchèrent par la suite à la réalisation de multidétecteurs gamma dont EUROGAM, et aujourd'hui AGATA.

En 1984 le laboratoire aborde un nouveau champ de recherche avec son équipe Énergies Intermédiaires qui intègre la collaboration NA38 auprès du SPS au CERN. Le projet consiste à effectuer des collisions de proton, oxygène ou soufre sur cible fixe afin d'observer et caractériser le plasma de quarks et de gluons, un état inédit de la matière qui prévaut dans les tous premiers instants de l'Univers. L'équipe aura notamment un rôle critique en prenant en charge la conception et la réalisation de la cible active fragmentée. Ensuite, à partir de 1994, elle effectuera les modifications et améliorations nécessaires à l'expérience NA50 - qui prolonge NA38 - notamment pour assurer la tenue aux radiations. Six ans plus tard, en 2000, NA50 annoncera l'observation d'un décrochement brusque de la production de particules J/ψ , qui signe un état de la matière compatible avec le plasma de quarks et de gluons.

L'année 1986 est tristement célèbre pour l'explosion de la centrale nucléaire de Tchernobyl. L'IPNL fut à ce moment-là l'un des premiers laboratoires en France à détecter la radioactivité anormale due à la catastrophe et parvenue jusqu'en France. Différentes équipes travaillant auprès du synchrocyclotron détectèrent des signaux parasites sur les spectres enregistrés. Après une période d'incompréhension, ils comprirent que la radioactivité venait de l'extérieur des bâtiments, avant d'identifier finalement la signature d'iode et de césium. Les autorités en furent informées immédiatement. Conscient de la nécessité sociétale que constituent ses recherches, l'IP2I dispose depuis de 2003 d'un service de recherche de la radioactivité dans l'environnement avec sa plateforme LABRADOR.

En 1989 est créé le groupe Interaction Particules-Matière, IPM, qui développe un nouvel axe de recherche sur les interactions entre molécules sous irradiation. Le groupe IPM met notamment en évidence la multifragmentation des agrégats d'hydrogène grâce au développement d'un nouvel accélérateur de type RFQ (Radio Frequency Quadrûpole) permettant d'accéler les agrégats au MeV.

1990 est la décennie qui voit le laboratoire s'ouvrir aux sujets de recherche liés aux astroparticules. En 1991 est créé le groupe MANOIR pour la recherche de matière noire via les techniques bolométriques. Le groupe aura notamment une forte implication dans l'expérience EDELWEISS située dans la caverne du Laboratoire Souterrain de Modane. Le groupe poursuit toujours ses activités aujourd'hui.

Dans cette même lignée de l'ouverture vers le cosmos, l’année 1991 voit le SMA intégrer la collaboration VIRGO pour laquelle il produira les miroirs presque parfaits nécessaires à la détection des ondes gravitationnelles, grâce à son incomparable maîtrise dans la réalisation de couches minces. Un bâtiment dédié lui sera construit, en 1996, à l'emplacement de l'ancien synchrocyclotron de l'institut.

En 1996 l'institut renforce ses activités interdisciplinaires avec la création d'un groupe Aval du Cycle Électronucléaire qui oriente ses activités vers les problématiques liées aux matériaux du nucléaire, notamment la question de la migration des radioéléments dans les solides. Ces travaux contribuent à la recherche de solutions pour le confinement et le stockage des déchets nucléaires, une problématique de société particulièrement importante. Aujourd'hui, ils sont en grande partie consacrés à la compréhension de l'évolution des matériaux nucléaires (réacteurs actuels ou futurs) en conditions extrêmes de température, d'irradiation et de radiolyse.

En 1996, le groupe Énergies Intermédiaires devient le groupe ALICE pour travailler auprès de l'expérience éponyme au LHC sur l'étude du plasma de quarks et de gluons. Le groupe propose, conçoit, réalise et exploite le détecteur V0, crucial à toutes les campagnes de prises de données (2009 - 2018) : déclenchement des détecteurs centraux, mesure de la multiplicité, contrôle de la luminosité et enfin rejet en ligne et hors ligne des événements de bruit de fond. À partir de 2011, pour l’upgrade global d’ALICE, le groupe initie le projet Muon Forward Tracker qui consiste en l'ajout d'un trajectographe à l'avant du détecteur ALICE afin d’améliorer substantiellement la trajectographie des muons. Après dix ans de travaux intensifs, le détecteur est installé fin 2020 dans la caverne d’ALICE pour être parfaitement opérationnel au redémarrage du LHC en 2022.

Pour clore une décennie d'ouverture thématique, l'IPNL verra se créer en 1999 son groupe Neutrino qui aura d'importantes responsabilités dans l'expérience OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) visant entre autres l'observation de l'oscillation neutrino entre le CERN et le site du Gran Sasso en Italie. Depuis 2015, le groupe est impliqué dans l'expérience de nouvelle génération DUNE.

Durant l'année 2000, un groupe Supernovæ est créé à l'institut suite à la découverte de l'expansion accélérée de l'Univers. Il travaillera notamment en collaboration avec le Centre de Recherche Astrophysique de Lyon sur le projet Nearby Supernova Factory et la mise au point de l'instrument SNIFS (SuperNova Integral Field Spectrograph).

En 2000 également, l'activité interdisciplinaire du laboratoire s'élargit encore vers le domaine de la santé et le soin des tumeurs cancéreuses, avec la création d'un groupe travaillant sur la physique de la hadronthérapie associé au projet ETOILE.

En 2001, le Service des Matériaux Amorphe réalise le 1er miroir qui sera installé dans l'interféromètre VIRGO pour la recherche des ondes gravitationnelles. Trois ans plus tard, en 2004, le SMA devient le Laboratoire des Matériaux Avancés.

En 2003 est créée la plateforme LABRADOR dédiée à la métrologie de la radioactivité. Elle réalise des prestations de service dans le cadre de mesures environnementales. La plateforme est accréditée COFRAC en 2004 et répond à un très haut niveau d'exigence et de fiabilité. Elle dispose notamment de 25 agréments environnements délivrés par l’Autorité de Sûreté Nucléaire.

En 2005, le groupe IPM démarre le projet DIAM (Dispositif d’Irradiation d’Agrégats Moléculaires), dispositif qui a permis la mise en évidence de l'évaporation de molécules d'eau à haute vitesse et l'exploration des premières étapes de la formation des aérosols. Le projet a conduit par ailleurs au développement et à l'installation d'un nouvel accélérateur à l'institut.

En 2007 le tonneau du calorimètre électromagnétique est intégré au détecteur CMS du LHC (CERN). Le groupe "CMS" de l'Institut a produit les modules de photodétection de ce calorimètre et validé son électronique de lecture. L'année suivante, en 2008, c'est au tour du bouchon du trajectographe, préparé par l'Institut, d'être intégré au dans le détecteur. Ces éléments joureront un rôle crucial dans la mise en évidence d'un boson de Higgs en 2012.

En 2008 et pour la première fois en France, une équipe de l'IPNL développe une technique de muographie avec les projets Tomuvol, puis DIAPHANE, qui permettront de réaliser des tomographies utiles en géophysique pour l'étude des volcans ou sur des applications pratiques de génie civil ou dans l'industrie lourde. Ce projet est la dernière pièce s’ajoutant à l'ensemble des activités interdisciplinaires de l'institut.

La décennie 2010 a été pour l'IP2I une décennie d’exploitation des dispositifs expérimentaux construits précédemment et de grands résultats scientifiques, à commencer par la mise en évidence en 2010 d'une oscillation entre neutrino Mu et neutrino Tau auprès de l'expérience OPERA.

En 2012 l'IPNL se félicite d'être membre fondateur de 3 LabEx de la région lyonnaise : - Le LabEx LIO, Institut des Origines (origines et émergence de la complexité dans l’Univers), - Le LabEx iMUST, Institut for Multiscale Science & Technology (science des matériaux et technologies écologiques), - Et le LabEx PRIMES, Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation.

2012 est l'année de la découverte d'un Boson de Higgs auprès du Large Hadron Collider du CERN, à laquelle l'équipe CMS du laboratoire a notablement contribué, à travers l'analyse de données et le développement et la construction du Calorimètre electromagnetique et du Trajectomètre du détecteur.

En 2012 également, une équipe de l'IPNL intègre la mission spatiale EUCLID de l'ESA qui vise à cartographier la géométrie de l'Univers sombre, étudier l'évolution des structures cosmiques et le rôle joué par l'énergie sombre dans l'accélération de l'expansion de l'Univers. L’activité se concentre sur les tests et la validation des performances du détecteur infrarouge du plan focal de l'instrument NISP (Near Infrared Spectrometer and Photometer).

Toujours en 2012, l’activité de cosmographie dynamique de l’univers conduite au laboratoire dans le cadre de "Cosmic Flows" conduit à la découverte du superamas de galaxies local Laniakea.

Le 14 juillet 2015 Magda Ericson reçoit la légion d'honneur. Cette distinction récompense une longue carrière d'abord expérimentale puis théorique. Elle fut notamment à l'origine d'un champ de recherche nouveau, celui des "Énergies Intermédiaires", particulièrement par l'étude des atomes "pioniques" au CERN, et faisant le lien entre la physique nucléaire et la théorie de la chromodynamique quantique. Arrivée à l'IPNL dès sa création en 1961, elle a initié à l'Institut le groupe Théorie – le plus ancien du laboratoire – qui a acquis sous son impulsion une réputation internationale. Magda Ericson est une personnalité influente qui a profondément marqué l'Institut, la physique de l'infiniment petit et le combat pour améliorer la place des femmes dans la recherche scientifique. Professeur émérite depuis plus de 25 ans (!) elle continue encore aujourd'hui à influencer la recherche et les programmes expérimentaux à travers, par exemple, une série de travaux récents sur l'interaction neutrino-noyau qu'elle a initiés

En 2015, le groupe Neutrino de l'Institut participe à la création de DUNE, future expérience de très grande ampleur pour l'observation de l'oscillation neutrino. Le groupe a notamment une responsabilité dans le prototypage des détecteurs à argon liquide (ProtoDUNE, au CERN).

2015 est aussi l'année de la première détection d'ondes gravitationnelles par l'expérience VIRGO en Italie à laquelle le Laboratoire des Matériaux Avancés a apporté une contribution de premier plan grâce à ses miroirs ultra-performants. Avec celle de l'expérience LIGO aux États-Unis, cette détection historique a inauguré la naissance d'une nouvelle ère de l'astronomie multimessagers.

En 2016, le Laboratoire de Radiobiologie Cellulaire et Moléculaire (LRCM) du CHU de Lyon Sud rejoint l'IP2I, après des années de collaboration étroite. Ce rapprochement vient réaffirmer l'intérêt des recherches menées par l'institut dans la physique pour la hadronthérapie.

En 2018, le groupe MANOIR participe à la création de la collaboration franco-russo-américaine RICOCHET, portée conjointement par l’IP2I et le MIT (USA). L’objectif est d’étudier la diffusion élastique cohérente de neutrinos sur des noyaux de détecteurs et de chercher d’éventuelles déviations par rapport au modèle standard. L’expérience Ricochet, qui sera installée auprès du réacteur nucléaire de recherche de l’ILL, s’appuie entres autres sur l’expertise de l’IP2I dans la détection cryogénique, avec des détecteurs d’une incroyable sensibilité et capable de rejeter les bruits de fond.

En 2019 une équipe scientifique se constitue à l'Institut pour rechercher des signaux d'Ondes gravitationnelles provenant de la coalescence d’objets compacts tels que des trous noirs ou des étoiles à neutron. Pendant la troisième période d’observation de LIGO et Virgo ( 2019-2020 ), le groupe participe à la prise des données, ainsi qu'au suivi de leur qualité, et est impliqué dans des dizaines de nouvelles détections. Avec le groupe théorie de l’Institut, l’équipe s’intéresse aussi à l’interprétation des observations pour contraindre les modèles astrophysiques, nucléaires ou cosmologiques.

2019 est l'année du renouveau pour l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon qui – du haut de ses 58 années d'existence – devient l'Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon (IP2I Lyon), avec la réintégration du Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA), devenu alors Plateforme Nationale de l'IN2P3. Cette fusion vient entériner l'ouverture progressive que le laboratoire a connu au fil des décennies vers les thématiques scientifiques de l'infiniment grand telles que les astroparticules, les ondes gravitationnelles, la cosmologie... complémentaires de ses sujets de recherche historiques dans le secteur de l'infiniment petit, dont la physique nucléaire, la physique des particules, la physique hadronique... L'IP2I a été inauguré le 9 octobre 2019.

En 2021 Michael Bender, du groupe Théorie, reçoit la médaille d'argent du CNRS pour ses travaux en physique nucléaire à basse énergie théorique, en particulier sur les noyaux lourds et super lourds, stables et exotiques. Cette médaille d'argent qui s'ajoute à d'autres décernées vient récompenser une recherche originale et internationalement reconnue, qui utilise des méthodes dites de la « fonctionnelle de la densité d’énergie » et a contribué au développement des méthodes auto-cohérentes avec brisure de symétries, à la méthode de la coordonnée génératrice et aux techniques de restauration de symétrie.