IN2P3 50 ANS DE PHYSIQUE

Louis Leprince-Ringuet est nommé professeur à l’École polytechnique, située alors à Paris, rue de la montagne Sainte-Geneviève. Il crée à l’occasion un laboratoire de physique consacré à l’étude « des noyaux d'atome, des rayons cosmiques, [et à] la connaissance des particules fondamentales ». Ce sera le premier laboratoire de recherche de cette prestigieuse institution.

Le laboratoire de L’Argentière-la-Bessée est construit. Il s’agit alors d’une simple cabane en bois nichée au cœur des Hautes-Alpes ! C’est entre les pôles d’un électroaimant (alimenté par l’usine d’aluminium Pechiney) que Louis Leprince-Ringuet y installe une chambre de Wilson, construite l’année précédente pour l’exposition du tout nouveau Palais de la Découverte à Paris.

Pendant l’occupation, l’Ecole polytechnique est démilitarisée et délocalisée à Villeurbanne. Un numerus clausus de 3% pour les juifs est alors imposé par le gouvernement de Vichy. Ces étudiants, appelés les « X-bis », sont tenus à l’écart des classements et sont soumis à un régime de brimades et d'exceptions. Louis Leprince-Ringuet accueillera au laboratoire de L’Argentière plusieurs « X-bis », où ils pourront étudier les rayons cosmiques.

Le laboratoire de L’Argentière n’est qu’à 1000m d’altitude. Pour améliorer l’étude des rayons cosmiques, il faut aller plus haut. À partir de 1942 commencent alors des travaux à l’Aiguille du Midi, à Chamonix, menés par Paul Chanson afin d’établir un laboratoire à 3600 mètres d’altitude. Parmi les difficultés : la foudre (l’intérieur du laboratoire était protégé par une cage de Faraday) et l’acheminement de l’électricité. Le nouveau laboratoire fut inauguré le 31 août 1946 et fut fonctionnel jusqu’en 1955.

A la Libération, de retour à Paris, rue Descartes, le laboratoire et Louis Leprince-Ringuet sont chargés par le Service de recherches de l’Aéronautique de travailler sur les rayonnements infrarouges et leurs applications militaires. A cette époque, le laboratoire n’avait pas encore de statut administratif. Son existence « officielle » n’aura lieu que quelques années plus tard, avec la nomination entre autres d’un directeur, de deux sous-directeurs et de quelques techniciens.

Dans les années 50, le laboratoire s’installe dans les Pyrénées, au pic du Midi de Bigorre menant à la « découverte et confirmation des propriétés des mésons et des hypérons ». Cependant, les limites des études des rayons cosmiques sont atteintes. La compréhension des particules et de leurs interactions va nécessiter des études systématiques, possibles dorénavant grâce aux accélérateurs de particules.

Une équipe du laboratoire, constituée de Charles Peyrou, André Lagarrigue, Bernard Gregory et Francis Müller, installe au laboratoire du Pic du Midi de Bigorre, dans les Pyrénées, deux chambres de Wilson de 2m³ : une magnétique et une munie de plaques de plomb. L’équipe mesure alors la masse du kaon (dont la première évidence a été obtenue à L’Argentière-la-Bessée en 1943 et confirmé en 1948 au laboratoire des Cosmiques) ) et observe sa désintégration en muon et neutrino.

Une équipe, animée par Jean Crussard, utilise des ballons-sondes afin d’exposer pendant quelques heures des émulsions photographiques au rayonnement cosmique.

Lors de la conférence de Bagnères-de-Bigorre, Louis Leprince-Ringuet et ses collaborateurs s’accordent pour nommer « Hypérons » les nouvelles particules qu’ils ont découvert. Il existe depuis un boulevard de l’Hypéron à Bagnères-de-Bigorre.

Le CERN est créé et c’est l’émergence des accélérateurs de particules. Le laboratoire va significativement contribuer à cette physique sur accélérateur en développant et construisant des chambres à bulles. Sous la direction de Bernard Grégory, il développe une chambre à bulles à hydrogène, tandis que la chambre à bulles à liquide lourd est développée au LLR sous la direction d’André Lagarrigue.

Un premier prototype de chambre à bulles à liquides lourds de 4 litres, BP1, est construit par André Lagarrigue et André Rousset.

La chambre à bulles BP2 (20 litres) est exposée à un faisceau de pions négatifs de 1 GeV auprès de l’accélérateur Saturne du CEA à Saclay

Louis Leprince-Ringuet et le CERN signent un accord selon lequel des expériences de chambres à bulles seront conduites pour le bénéfice de toute la communauté européenne.

Les années 60 marquent le succès des chambres à bulles mais aussi leur limitation. En effet, avec l’avènement des accélérateurs de particules et la recherche d'évènements de plus en plus rares (de l’ordre de 1 sur 1 000 000…), l’analyse des chambres à bulles ne tient plus la cadence. Le laboratoire se convertit donc aux détecteurs électroniques qui ont l’avantage d’être déclenchés et numérisés.

Sous l'impulsion de Bernard Grégory, le laboratoire participe au développement de chambres à bulles à hydrogène liquide, de 20 cm, 35cm puis de 50 cm et enfin de 81 cm. Cette dernière chambre, d'un volume de 73 litres, est utilisée au CERN de 1961 à 1971.

La chambre à bulles à liquides lourds BP3 (300 litres), dans un aimant de 2 Tesla (construit par le CEA), est installée au CERN. BP3 est exposée à un faisceau de neutrino en1963 avant de retourner à Saturne en 1964.

Imaginé à la conférence de Sienne de 1963, le projet d’une très grande chambre à bulles à liquide lourd prend sa forme finale. Ce sera « Gargamelle », une chambre à bulles de 4.8m de long sur 2m de diamètre, contenant 12 m³ de fréon. Sous l’impulsion d’André Lagarrigue, Gargamelle est conçue au laboratoire, fabriquée à Saclay et sera utilisée au CERN pour détecter les interactions des neutrinos et des antineutrinos.

Le laboratoire, qui s’appelle désormais « Laboratoire de Physique Nucléaire et Hautes Énergies », s’installe dans un nouvel environnement : les grandes collaborations avec notamment la découverte des courants neutres par la collaboration Gargamelle, mais aussi avec le déménagement du laboratoire sur le plateau de Saclay. La fin des années 1970 verra également le laboratoire s’impliquer dans les expériences NA3 et NA10 de production de paires de muons auprès du SPS du CERN qui ont permis de mesurer les distributions des partons (quarks et gluons) dans les pions et les nucléons.

Gargamelle est exposée au faisceau de neutrinos issu du PS entre 1970 et 1976, puis au faisceau de neutrinos issus du SPS jusqu’en 1979.

Après 35 ans à la tête de son laboratoire, Louis Leprince-Ringuet passe la main à Bernard Grégory qui devient directeur jusqu’en 1973.

Les premiers résultats de Gargamelle ont apporté des indices cruciaux sur l’existence des quarks. En associant ces résultats avec les résultats d’expériences menées au SLAC, il a été démontré que les quarks devaient avoir une charge électrique égale à 1/3 ou à 2/3 de la charge du proton.

La collaboration Gargamelle présente les premiers indices directs d’un courant neutre faible, exigeant la présence d’une particule neutre comme vecteur de la force faible. Deux types d’évènements ont été recherchés : l’interaction d’un neutrino avec un électron dans le liquide, ou la diffusion d’un neutrino par un hadron. En 1973, la collaboration dénombrait 166 événements hadroniques et 1 évènement électronique. Pendant sa courte carrière au SPS, Gargamelle aura été le premier détecteur à observer une interaction faible mettant en jeu des leptons, au cours de laquelle un neutrino de type muonique rencontre un électron, produisant un neutrino électronique et un muon.

Patrick Fleury devient directeur du laboratoire jusqu’en 1984.

Le laboratoire quitte la montagne Sainte-Geneviève, dans le 5^ème arrondissement de Paris, et s’installe au début de 1975 sur le plateau de Saclay. L'ensemble de l’École polytechnique sur son nouveau site sera inauguré par Valéry Giscard d'Estaing en 1976.

Le compteur Cherenkov de NA3 (production directe de photons dans les collisions hadron-hadron au SPS) et les hodoscopes de NA10 (étude haute résolution de la production inclusive de paires de muons massives par des faisceaux de pions intenses au SPS) sont construits au laboratoire.

Apparition de fissures, impossibles à réparer. Gargamelle ne fonctionnera plus et sera dorénavant exposée au CERN.

Les années 1980 confirment l’unification des théories de l’interaction faible et de l’électromagnétisme avec la découverte des bosons W et Z⁰ en 1983 au CERN, grâce au collisionneur proton-antiproton à 300 GeV. Le démarrage du LEP en 1989, usine à Z⁰, marque le début de l’ère des mesures de précision en électrodynamique quantique. Parallèlement, la course aux hautes énergies continue avec la préparation des collisions proton-électron sur l’accélérateur HERA, à Hambourg (Allemagne), et avec les premières études de faisabilité des futures expériences installées auprès du grand collisionneur de hadrons : le LHC au CERN (les premières collisions auront lieu en... 2009). C’est également le lancement du programme d’ions lourds au CERN, dans lequel le laboratoire aura une place privilégiée, et qui permettra de mettre en évidence un nouvel état de la matière, le plasma de quarks et gluons, dont l’étude initiée avec l’expérience sur cible fixe NA38 auprès du SPS, se poursuivra avec l’expérience NA50. Enfin, les années 1980 voient aussi se développer les expériences hors accélérateur et le début de l’astroparticule pour utiliser l’Univers comme un vaste laboratoire disposant de conditions expérimentales non disponibles ailleurs. Le laboratoire sera ainsi au cœur de l’expérience TauP sur la désintégration du proton et à cette occasion étudiera le contenu en muons des gerbes du rayonnement cosmique.

Le laboratoire prend une part importante dans le choix du type de calorimètre de la future expérience ALEPH auprès du collisionneur e⁺e^- du CERN, le LEP, en participant à la construction de prototypes ainsi qu’à leur étude.

Le laboratoire se lance dans la physique hors accélérateur avec l’expérience TauP recherchant la désintégration du proton prédite par certaines théories de grande unification. Sous l’impulsion d’André Rousset, il joue un rôle central dans la création du Laboratoire Souterrain de Modane (décision en 1980, ouverture en 1983). La collaboration Aachen, Orsay, Palaiseau, Saclay, Wuppertal (~ 50 participants) y construit un calorimètre de 900 tonnes avec 106 canaux d’une granularité de 5x5mm et obtient en 1989 et 1991 une limite sur la durée de vie du proton (neutron lie?) > 10³¹ a? 10³² années. Cette expérience est aussi l’occasion d’une étude précise des gerbes de muons créées par les interactions du rayonnement cosmique à une profondeur de 4800 m.w.e., d’une recherche de sources stellaires avec des muons simples, et d’obtenir une limite sur le flux diffus de neutrinos atmosphériques électroniques et muoniques. C’est le début d’un rapprochement entre la physique des particules et l’astrophysique qui deviendra par la suite l’astroparticule et au laboratoire s’orientera vers l’astronomie gamma de haute énergie. Ces études se développeront aussi bien au sol (CAT, CELESTE, HESS, CTA) que dans l’espace (satellite FERMI) jusqu’aux années 2020.

Après la prédiction de l’existence des bosons Z⁰ et W dans les années 1960 par S. Glashow, A. Salam et S. Weinberg, puis la mise en évidence des courants faibles par la collaboration Gargamelle dans les années 1970, les expériences UA1 (participation du laboratoire) et UA2 exploitant les collisions du SPS découvrent officiellement les bosons W et Z⁰. Cette découverte est couronnée du prix Nobel de physique en 1984 pour Carlo Rubbia et Simon van der Meer.

De 1983 à 1988, fonctionnement de l’expérience NA10 auprès du SPS au CERN.

João Alberto Meyer devient directeur du laboratoire (jusqu’en 1990).

Dédiée à l’étude des collisions électron-proton délivrées par l’accélérateur HERA à DESY (Hambourg, Allemagne), la collaboration H1 est initiée. Le laboratoire s'intéresse principalement au grand calorimètre à argon liquide qui permet de mesurer les énergies des particules, les électrons aussi bien que les hadrons chargés ou neutres, et participe à l’élaboration de la structure du calorimètre.

L’expérience NA38, héritant du spectromètre de NA10, exploite les faisceaux du SPS pour étudier différentes collisions d’ions lourds : faisceau d’ions oxygène sur cible d’uranium puis de cuivre, faisceau d’ions souffre sur cible d’uranium puis souffre. NA38 établit les références nécessaires à ces études en analysant les collisions entre protons et différentes cibles. La collaboration, dont le porte-parole est Louis Kluberg, réalise la première observation de la suppression du méson J/ψ (état lié ccbar), un des signaux caractéristiques attendus de la formation du plasma de quarks et gluons. La prise de données s’arrête en 1993.

Au CERN, le LEP, collisionneur électrons-positrons exploitant des faisceaux de 45 GeV, est inauguré. C’est le début des prises de données de l’expérience ALEPH, qui établit dès les premiers mois qu’il n’existe que 3 familles de neutrinos légers.

Louis Kluberg reçoit la médaille d'argent du CNRS.

Le laboratoire maintient sa présence au CERN dans la collaboration UA4/2 et avec l’expérience ALEPH installée auprès du LEP, ouvrant une ère de mesures de grande précision des paramètres du Modèle Standard. Coté ions lourds, l’expérience NA38 se termine tandis que débute l’expérience NA50, qui étudiera à partir de 1994 les collisions Pb-Pb. Le futur se prépare avec les programmes de R&D du nouveau projet CMS. Parallèlement, de nouvelles voies de recherches sont exploitées : la violation de CP avec l’expérience BaBar au SLAC (Stanford, USA) ainsi que la physique « des petits x » et la recherche de nouvelles particules avec l’expérience H1 auprès de HERA à DESY (Hambourg, Allemagne). Les jalons de l’accélération laser-plasma sont posés. L’astroparticule décolle avec l'engagement du laboratoire dans une série d’expériences en astronomie gamma de haute énergie via l’observation du rayonnement Cherenkov produit par les particules chargées créées lors des interactions des gamma avec l’atmosphère, en particulier sur le site de l’ancienne centrale solaire Thémis, dans les Pyrénées-Orientales.

Le LEP produit depuis 1989 des collisions à des énergies voisines de la masse du Z⁰. ALEPH étudie la courbe d’excitation du Z, mesurant avec grande précision la masse et la largeur de celui-ci, inférant un nombre de neutrinos égal à 3. Les modes de désintégration du Z sont étudiés, établissant leurs rapports d’embranchement mais aussi la production dans ces désintégrations du lepton tau, alors mal connu. La physique de ce lepton a ainsi été largement explorée, modes de désintégration, paramètres de Michel, moment dipolaire faible. L’étude des asymétries dans les désintégrations leptoniques du Z, asymétrie avant-arrière, polarisation et asymétrie de polarisation, a également permis de mesurer l’angle de mélange Z-photon (angle de Weinberg), élément central de la théorie électrofaible, et d’établir l’universalité des courants neutres.

François Jacquet devient directeur du laboratoire (jusqu’en 1999).

Le laboratoire rejoint l’expérience THEMISTOCLE (Tracking High Energy Muons In Showers Triggered On Cherenkov Light Emission) qui confirme sans ambiguïté et par une méthode indépendante la détection faite à l’Observatoire Whipple de la nébuleuse du Crabe comme première source astrophysique de rayons gamma au TeV. Ce résultat est salué par Aleksandr Chudakov à la conférence de Blois en 1992.

La prise de données de H1 débute et avec elle les premières analyses de collisions électrons-protons délivrées par le collisionneur HERA à DESY. Le laboratoire s’est tout d’abord intéressé aux électrons excités et leptoquarks. Les premiers résultats et papiers arrivent dès 1993. Un signal de leptoquarks à 3 sigma est notamment observé en 1997, ce n’était qu’une fluctuation statistique...

Le laboratoire s’implique dans la construction et l’installation du tracker à fibre scintillante du détecteur. L’expérience UA4/2 mesure en 1993 la partie réelle de l’amplitude de diffusion p-pbar à sqrt(s)=541 GeV avec une précision 3 fois meilleure à UA4, à laquelle elle fait suite.

Le laboratoire engage une expérience de recherche des antiprotons dans le rayonnement cosmique en utilisant la Lune comme collimateur et le champ magnétique terrestre pour analyser la charge. Les données prises à l’observatoire Whipple (Arizona, USA) de 1992 à 1997 ne donnent qu’une limite supérieure mais sont l’occasion de tisser des liens avec la communauté internationale des télescopes Cherenkov.

De 1994 à 2000, l’expérience NA50 enregistre les données issues de collisions Pb-Pb. Les analyses se termineront en 2004. L’expérience NA50 découvre une discontinuité dans la production du J/ψ en fonction de la densité d’énergie de la réaction, dorénavant connue comme “la suppression anormale du J/? dans les interactions Pb-Pb à 158 GeV/c par nucléon”, élément primordial lors de l’annonce de l’observation du nouvel état de la matière au CERN en 2000.

La physique dite des petits x (x étant la fraction d’impulsion du proton emportée par le quark interagissant) permet d’étudier la transition vers le confinement (équations BFKL versus DGLAP). En remplacement du Backward EM Calorimeter, et afin de couvrir les régions à petits x, le laboratoire participe à l’élaboration d’un calorimètre plomb/fibres scintillantes pour la partie « arrière » de l’expérience (électrons diffusés à petits angles). Le SpaCal (Spaghetti Calorimeter) sera un véritable succès instrumental.

Alain Blondel reçoit la médaille d’argent du CNRS.

Le grand projet du laboratoire en astronomie gamma est CAT (Cherenkov Array at Themis). Proposé en 1993, approuvé en 1994, il est opérationnel dès 1996 sur le site de l’ancienne centrale solaire Themis, avec un miroir de 16m² et une caméra rapide de 546 pixels. Grace à sa technologie innovante, ce télescope détecte les photons cosmiques d’énergie supérieure à 200 GeV avec une sensibilité comparable au télescope de Whipple doté d’un miroir beaucoup plus grand, et met en évidence plusieurs sources, notamment extragalactiques (résultats publiés de 1998 à 2006).

L’énergie de la machine est augmentée pour produire des paires de W. La mesure de ces paires a fourni la masse du W mais aussi mis en évidence expérimentalement le caractère non abélien de la théorie de jauge associée. ALEPH a fourni des indications très précises sur le Modèle Standard, incluant le couplage fort, mais aussi par des mesures indirectes le nombre de neutrinos, la masse du top et des limites tant sur la production de nouveaux bosons de jauge, que sur les prévisions des théories supersymétriques ou la masse du boson de Higgs.

Suite à la création en 1994 de la collaboration RD44 (Object Oriented toolkit for simulation in HEP) au CERN en réponse aux questions sur la complexité à venir des simulations à effectuer sur les expériences LHC et leur énorme flux de données et de canaux, le laboratoire rejoint le projet en 1996. RD44 devient officiellement Geant4 en 1999.

Pascal Paganini est recruté au CNRS et affecté au laboratoire. Il apparait depuis sur près de 80% des photos du laboratoire.

Les dimensions du futur projet CMS auprès du LHC (CERN) imposent de nombreux développements : électronique rapide, mécanique des matériaux composites et informatique moderne. Plusieurs technologies de calorimètre électromagnétique sont étudiées (Spaghetti, Shashlik, cristaux de PbWO4) et évaluées en faisceau test. Le choix se porte finalement sur les cristaux. Le laboratoire s’implique fortement dans le projet ECAL, participe au design de la partie barrel et notamment à celui des “submodules” de 10 cristaux, dont il a la responsabilité. Des prototypes sont élaborés à l’atelier à partir de 1997 et la production de milliers d’alvéoles en matériaux composite est lancée dans l’industrie. Elles sont ensuite qualifiées à l’atelier tant du point de vue mécanique qu’optique (1998-2000).

CAT enregistre, conjointement avec Whipple et HEGRA, le pic d’activité de Markarian 501 et mesure une variabilité de l’ordre de la journée. Ces mesures se placent parfaitement sur une courbe de lumière commune renforçant ainsi le crédit apporté à ces phénomènes transitoires.

Bernard Degrange reçoit la médaille d’argent du CNRS.

Pour conclure la série d’expériences sur le site de l’ancienne centrale solaire Thémis, Le LLR est à l’origine de CELESTE (CErenkov Low Energy Sampling and Timing Experiment) qui utilise 6 puis 18 et enfin 40 héliostats pour envoyer le front d’onde des gerbes cosmiques sur une optique secondaire placée dans l’ex-four solaire où le signal est échantillonné à 1 GHz. Ce dispositif, approuvé en 1996 et opérationnel à partir de 1998, abaisse ainsi le seuil de détection des photons dans la zone de 30 à 50 GeV. Les résultats sont publiés de 1998 à 2006.

A partir de 1998, le laboratoire se prépare à l’upgrade de HERA (luminosité multipliée par 5 et polarisation) en étant à l’œuvre pour le remplacement du détecteur de photon (PD) par un calorimètre Cherenkov résistant aux radiations, en tungstène-fibre de quartz, avec son système d’acquisition des données (DAQ). Les cartes assurant l’acquisition, réalisées au laboratoire, ont fonctionné magistralement pendant 8 ans, avec une seule interruption involontaire.

François Jacquet et François Amiranoff initient en 1991 une collaboration entre le laboratoire et LULI (Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses, Ecole polytechnique) en vue d'accélérer des particules chargées à l'aide d'une onde plasma générée dans un plasma homogène par une impulsion laser. La première accélération par la méthode dite du sillage est observée en 1998. Cette activité se met alors en « stand-by » et redémarrera en 2004.

Destinée à étudier la violation de CP dans le système B-Bbar, installée auprès du collisionneur e⁺e^- PEPII asymétrique à SLAC, l’expérience BaBar prend ses premières données. Seules 5 années se sont écoulées entre la décision de construire l’expérience en 1994 (et un début de construction en 1996 !) et les premières données en 1999. Le LLR contribue à la construction du détecteur avec une partie de l’électronique d’acquisition ainsi que la mise en œuvre du système d’alimentation en haute tension du détecteur DIRC (un détecteur à effet Cherenkov, assurant l’identification de particules).

Henri Videau devient directeur du laboratoire (jusqu’en 2008)

Alors que le LEP tire sa révérence et que s’arrête ALEPH après 11 années de prise de données marquées par des contributions majeures du laboratoire dans la physique des taus et les mesures électrofaibles impliquant des leptons, les années LHC, prépondérantes, vont commencer avec l’expérience CMS qui verra ses premières collisions en 2008. Les ions lourds ne sont pas en reste, avec PHENIX, à Brookhaven et le début du programme ions lourds de CMS vers 2009. À SLAC, BaBar effectue une métrologie de précision et de surcontrainte du triangle d’unitarité de la matrice CKM et le programme de physique des neutrinos est initié, avec la collaboration T2K. Les études des sources de rayonnement gamma de haute énergie continuent, allant du GeV au TeV. Les observations sont réalisées à partir du sol par des télescopes à effet Cherenkov atmosphérique et dans l’espace par un détecteur de particules (tracker + calorimètre) embarqué à bord du satellite GLAST / Fermi-LAT. Les années 2000 voient également apparaitre les premières études d’un futur collisionneur linéaire électron-positron et des projets ambitieux de détecteurs associés, tandis que l’accélération d’électrons par une onde plasma excitée par laser connaît un regain d’intérêt. Le laboratoire se lance dans le domaine des applications médicales en élaborant des hodoscopes pour des machines de traitement du cancer par protonthérapie.

Un Technical Design Report (TDR) pour TESLA, collisionneur linéaire électron-positrons parait en 2000. En 2003, la fusion des accélérateurs JLC/NLC (Japan Linear Collider / Next Linear Collider) et de TESLA donne naissance au projet ILC (International Linear Collider). En 2004, le choix de la technologie froide est acté. Simultanément au lancement du projet collisionneur, les projets d’expériences sont aussi lancés : SiD, LDC, GLD. En 2005, est créée la collaboration CALICE (CAlorimeter for LInear Collider Experiment), prototype physique du SiW-ECAL. En 2007, les projets de détecteurs fusionnent (LDC et GLD) pour devenir l’ILD. 2009 est l’année des LOIs définissant deux concepteurs de détecteurs. L’emphase est mise sur un projet de calorimétrie ultra granulaire et le développement de la méthode dite du “particle flow”, méthode moderne d’analyse des évènements, où chaque particule est reconstruite individuellement. Cette méthode, initialement utilisée pour les études de détecteur sur le futur collisionneur électron-positron (ILC), a conduit à des développements d’un nouveau genre de calorimètre dit « imageur », c’est-à-dire où la capacité d’imagerie du détecteur est privilégiée par rapport à la mesure d’énergie

Le laboratoire s’investit dorénavant dans l’expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) située en Namibie, et joue un rôle important dans le choix du site (dans l’hémisphère austral pour une bonne couverture du centre galactique). H.E.S.S. combine 3 facteurs clé des expériences précédentes : de grands miroirs (comme à Whipple), la stéréoscopie (comme à HEGRA) et des caméras rapides et finement pixellisées (comme dans CAT). Dans une première phase (HESS-I), le système comporte 4 télescopes Cherenkov, chacun équipé d’un miroir de 107 m² et d’une caméra couvrant un champ de vue de 5⁰ divisé en 960 pixels échantillonnés à 1 GHz dont le laboratoire étudie et réalise la mécanique.

Le CERN, suite aux résultats des expériences sur cible fixe du SPS (notamment NA38 et NA50) présente des preuves décisives de l'existence d'un nouvel état de la matière dans lequel les quarks et les gluons, au lieu d'être confinés dans des particules plus complexes, comme les protons et les neutrons, sont déliés et se déplacent librement.

Michel Gonin reçoit la médaille d’argent du CNRS.

Le laboratoire décide de désormais s’appeler « Laboratoire Leprince-Ringuet » au lieu de LPNHE-X, en hommage à Louis Leprince-Ringuet, décédé le 23 décembre 2000

Dès 2002, un effort important est mis à la fois sur les développements du logiciel de reconstruction (ORCA) et du calcul avec la mise en place de la grille en collaboration avec le LAL et l’IRFU.

Inauguration du premier télescope de H.E.S.S. en Namibie

Le laboratoire prend en charge la conception et la réalisation des cartes de trigger du calorimètre électromagnétique de CMS (2003-2007). Toutes les cartes de lecture Front-End du ECAL passent par le banc de test XFEST installé dans nos locaux (2004-2005). Les capteurs de température positionnés dans les Super Modules sont aussi certifiés sur un banc de test au laboratoire. Parallèlement, les équipes du laboratoire sont fortement impliquées dans les tests en faisceau ECAL dès leur début en 2004.

Grâce à son expertise sur la production des quarkonia, le laboratoire a fortement contribué aux mesures de l’expérience PHENIX auprès de RHIC (Brookhaven, USA). Cela a permis une meilleure compréhension du plasma quark-gluon, par l’observation des phénomènes collectifs et la mesure d’états charmonium et bottonium dans les collisions dAu, AuAu et CuCu. De 2000 à 2006, le laboratoire a eu la responsabilité du spectromètre à muons de PHENIX : production puis installation de l’électronique Front-End du bras muon nord, et maintenance de l’électronique Front-End des deux bras à muons (éléments clefs des études des quarkonia à PHENIX).

Le Centre National d’Oncologie Hadronique «CNAO» (Italie-Pavie) contacte le laboratoire en vue d’équiper ses faisceaux secondaires de détecteurs à fibres. Le projet est initié grâce à l’expertise du laboratoire dans les détecteurs à fibres scintillantes acquise successivement lors de la construction de 10 détecteurs à 12 plans de fibres scintillantes cylindriques pour UA4/2 (1994), celle du luminomètre de H1 (2000) et des hodoscopes pour le faisceau test du calorimètre CMS (2001).

Le laboratoire développe une instrumentation spatiale pour le projet GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope) permettant l’observation du rayonnement gamma cosmique entre 30 MeV et 300 GeV. En 2004, la structure en fibres de carbone du calorimètre de GLAST (1536 barreaux d’iodure de césium représentant une masse de 1,5 tonnes) est conçue et réalisée au laboratoire en reprenant la technologie développée et mise au point localement pour le calorimètre électromagnétique du détecteur CMS. En 2005, le laboratoire a participé à son intégration et son étalonnage auprès de l’accélérateur de Stanford.

2004 marque la fin des deux expériences CAT (Cherenkov Array at Themis) et CELESTE (CErenkov Low Energy Sampling and Timing Experiment) situées sur le site de l’ex-centrale solaire Thémis dans les Pyrénées. CAT, opérationnel dès fin 1996, a poursuivi une fructueuse campagne d’observations pour les gammas entre 250 GeV et 20 TeV. CELESTE, opérationnel dès 1998, a observé les gammas à partir de 30 GeV.

Opérationnel depuis décembre 2003, le système complet de quatre télescopes est inauguré

Le laboratoire contribue au détecteur de vertex du bras central de PHENIX à travers la conception et la fabrication des cartes Silicon Pixel Interface Read Out, essentielles aux prises de données des années 2010.

Les principaux résultats physiques obtenus au LLR concernent la mesure de l’angle beta, un des angles du triangle d’unitarité de la matrice CKM. Plus précisément, le LLR a analysé le canal B en Jpsi K* et produit en 2005 une mesure originale de cos(2beta). La prise de données de BaBar s’arrête le 7 avril 2008.

Un travail de fond est engagé sur la reconstruction des électrons, ingrédient fondamental du canal H→ZZ*→ 4e. La stratégie d’analyse dans ce canal, qui mènera à la découverte, se dessine progressivement. Ces travaux menés au sein du groupe se retrouvent dans le TDR de physique de CMS, publié en 2006.

Le groupe Neutrinos du LLR et l'IN2P3 rejoignent la collaboration T2K. En plus d'une contribution forte à l'analyse, le groupe s'engage avec l'appui des services techniques du LLR à financer, développer puis construire les détecteurs sur axe INGRID et Module Proton. Ceux-ci permettent un contrôle de la direction du faisceau à mieux que 1 mrad, condition nécessaire au succès de l'expérience T2K, ainsi que des mesures de sections efficaces. Ces détecteurs ont été installés au Japon en 2009. La détection des premiers neutrinos muons produits par J-PARC a été réalisée grâce à INGRID. Ils continuent, encore aujourd’hui, leur prise de données et ce même après le tremblement de terre qui a secoué le Japon en 2011.

H.E.S.S. observe un pic d'activité exceptionnel du noyau actif de galaxie PKS 2155, avec une activité multipliée par dix et des temps de variation de l'ordre de la minute.

Le CNAO signe avec le LLR un contrat pour la fourniture de 24 hodoscopes (pour 600k€ !)

Avec un seuil au voisinage de 100 GeV et une sensibilité jusqu’à 50 TeV, HESS-I réalise une moisson exceptionnelle de résultats scientifiques ce qui lui vaut de recevoir le prix Descartes Recherche 2006 de l’Union Européenne récompensant l’excellence en recherche collaborative, toutes disciplines scientifiques confondues, avec la mention « pour avoir révolutionné notre compréhension de l’univers extrême ».

Les recherches menées sur les hodoscopes pour CNAO conduisent au dépôt d’un brevet d’invention (WO 2007/093735 - EQUIPEMENT DE CARACTERISATION D'UN FAISCEAU DE PARTICULES). Ces travaux seront récompensés par le prix de la valorisation de l’IN2P3 en 2007.

Le LLR participe activement aux toutes premières prises de données de CMS avec les premiers faisceaux du LHC en septembre 2008 (certains membres du groupe étant en permanence au CERN à cette époque). Après un an d’interruption de la machine suite à un incident sur les soudures des aimants, la fin 2009 signe le retour des collisions. Le premier système de trigger utilisé pour acquérir ces données est alors celui conçu par le LLR. Le groupe est fortement mobilisé sur le commissionning des premières données allant vers une compréhension de plus en plus fine du détecteur et de la reconstruction au fur et à mesure de l’accumulation de statistique.

L’instrument GLAST est renommé Fermi-LAT (Large Area Telescope) après le lancement du satellite le 11 juin 2008 par une fusée Delta II 7920H-10 depuis le pas de tir 17B de la base de lancement de Cape Canaveral. Il fournit immédiatement une riche moisson de résultats. Le catalogue dressé au bout de 2 ans de fonctionnement comportera 1873 sources gamma dans l’intervalle [100 MeV - 100 GeV]. Les données de Fermi sont publiques depuis 2009.

Jean-Claude Brient devient directeur du laboratoire (jusqu’en 2019).

La découverte des courants neutres avec Gargamelle est auréolée du Grand Prix 2009 de la Société Européenne de Physique (parmi les 55 signataires de l’article, 12 personnes ont été membres du LLR dans une phase du projet).

Le LHC tourne à plein régime et le LLR assure la maintenance et les mesures d'efficacité du système de déclenchement associé au calorimètre électromagnétique (ECAL) de CMS. Il jouera un rôle prépondérant dans la découverte du boson de Higgs en 2012. Le programme ions-lourds, en plus du groupe CMS, s’enrichit au laboratoire d’une composante LHCb. Le groupe Neutrinos, tout en poursuivant son travail dans T2K, rejoint la collaboration Super-Kamiokande. L’observatoire H.E.S.S. se dote d’un 5ème télescope dont la mécanique de la caméra a été conçue et fabriquée au laboratoire, tandis que dans l’espace le satellite Fermi poursuit sa moisson de données. De nouvelles pistes sont explorées avec l’expérience HARPO, pour la prochaine génération de télescopes spatiaux, et le laboratoire intensifie son implication dans le vaste projet CTA d’astronomie Cherenkov au sol. Le futur commence à s’écrire avec les nouvelles études d’accélération laser-plasma, la participation à la R&D des détecteurs d’un futur collisionneur linéaire électron-positron et le développement d’un moniteur de faisceau ultra-mince pour la protonthérapie.

L’observatoire H.E.S.S. obtient le prix Bruno Rossi 2010 décerné par la Division Astrophysique de Haute Énergie de la Société Américaine d’Astronomie (AAS/HEAD).

Un premier faisceau est observé au CNAO (Pavie, Italie) par les hodoscopes réalisés au LLR !

Première observation des bosons Z et W mais aussi des Upsilons excités et des mésons B en collisions d’ions lourds par CMS.

Le projet HARPO (Hermetic ARgon POlarimeter) vise à l’étude d’un détecteur (TPC à haute pression) pour la prochaine génération de télescopes gamma spatiaux, améliorant la résolution angulaire et capable d’effectuer des mesures de polarimétrie. Initié à la fin des années 2000, le projet démarre « officiellement » en 2010 et c’est en 2011 que les premiers cosmiques sont observés dans la TPC.

Pour le Fermi Gamma-ray Space Telescope, la décennie commence par l’obtention du prix Bruno Rossi 2011 décerné par la Division Astrophysique de Haute Énergie de la Société Américaine d’Astronomie (AAS/HEAD).

Les expériences CMS et ATLAS annoncent la découverte d’une particule compatible avec le boson de Higgs. Très fortement impliqué dans les analyses et les recherches du boson de Higgs, et s'appuyant sur son expertise du déclenchement, le LLR a apporté des contributions décisives à la reconstruction et l'identification des électrons dans CMS, développé et piloté l'analyse officielle de CMS, menant à la mise en évidence du boson de 125 GeV dans ses désintégrations H → ZZ* → 4 leptons. Les premières mesures de spin-parité du Higgs ont lieu à la suite.

Parution de l’ILC TDR/DBD résumant 20 ans de R&D accélérateurs. Le LLR développe en 2012 le premier prototype SDHCAL avec Lyon, tandis que le premier prototype technologique de SiW-ECAL sera développé en 2016. 

Un 5ème très grand télescope est ajouté au réseau HESS afin d’abaisser le seuil en énergie. Il comporte un miroir de 600 m² avec une distance focale de 35 m et est équipé d’une caméra de 2048 pixels dont la mécanique a également été conçue et fabriquée au LLR. Cette imposante caméra (2,30 x 2,66 x 3,66 m³ et 2,6 tonnes) a été inaugurée en juin 2010 par le directeur de l’IN2P3 sur le campus de Palaiseau avant son envoi en Namibie et son installation sur le nouveau télescope. Le réseau étendu HESS-II a été inauguré en septembre 2012.

Livraison de 41 hodoscopes pour le centre de traitement du cancer MedAustron (Wiener Neustadt, Autriche).

Le prix Nobel de Physique 2013 est attribué à Peter Higgs et François Englert pour la prédiction du boson de Higgs, prix faisant suite à la découverte de cette particule par CMS et ATLAS. La collaboration CMS reçoit cette même année le grand prix de la Société Européenne de Physique pour la découverte du boson de Higgs.

En novembre, la collaboration T2K annonce la découverte de l'apparition des neutrinos électroniques dans un faisceau de neutrinos muonique à plus de 7 sigmas. Cette mesure d'apparition permet de confirmer le modèle d'oscillation des neutrinos.

Première observation des jets de quark-b dans les collisions PbPb par CMS

L’expérience CMS met en évidence la désintégration du Higgs en fermions. Les premières contraintes sur la largeur du boson de Higgs dans le canal ZZ par production hors couche de masse.

Yves Sirois reçoit la médaille d’argent du CNRS.

HARPO effectue une prise de données avec des faisceaux de photon polarisés au Japon (NewSUBARU) avec une TPC gazeuse comme télescope gamma et polarimètre. C'est la première (et unique à ce jour) démonstration expérimentale de la faisabilité d'une telle mesure avec un détecteur spatialisable (en particulier acceptance 4pi) au-dessous du GeV. Le projet sera abandonné en 2015.

Le prix Georges Charpak 2014 est décerné à Christophe Ochando.

Début du projet HGCAL-CMS (Calorimètre à Haute Granularité) pour la future phase haute luminosité du LHC.

Le LLR devient membre associé de la collaboration LHCb et initie le programme de physique des ions lourds avec cible fixe, dispositif original et unique au LHC. Après des prises de données pilotes en 2015 et 2016, menant à une publication démontrant la faisabilité de ce programme de physique, la première prise de données proton-noyaux (cible fixe) à haute intensité a eu lieu en 2017, suivie en 2018 de la première prise de données Pb-noyaux (cible fixe).

Un nouveau traitement des données du télescope spatial Fermi permettant d’utiliser 25% en plus de rayons gamma détectés est effectué. Le LLR a joué un rôle central dans la révision “Pass 8” des logiciels de reconstruction d’événements effectuée en 2015 et qui a permis un gain important en acceptance et en résolution (angulaire et en énergie).

Les expériences ATLAS et CMS effectuent leurs premières combinaisons de mesures pour les sections efficaces de production, les rapports d’embranchement et les couplages du boson de Higgs.

Le premier module du détecteur WAGASCI est installé à J-PARC (Japon) et prend ses premières données. Ceci conclut l'important travail de design du détecteur entrepris au LLR tant du point de vue de la mécanique que de l'électronique et du système d'acquisition des données. Le détecteur, dans sa configuration complète, prend des données depuis mai 2020.

Les collaborations CMS et LHCb observent la désintégration très rare du Bs en mu+ mu-.

Le groupe Neutrinos rejoint la collaboration Super-Kamiokande (Japon). Il se lance dans la physique des neutrinos de basse énergie notamment l'étude du fond diffus des neutrinos de supernova et neutrinos solaires, tout en poursuivant son travail dans l'analyse des oscillations des neutrinos issus du faisceau de T2K.

Le prix André Lagarrigue 2016 est attribué à Bernard Degrange.

Première observation de la désintégration de boson de Higgs en fermions (tau tau) par CMS.

Une mise à jour majeure de l’électronique des 4 premières caméras est effectuée pour bénéficier des développements électroniques faits pour NectarCAM dans le cadre de CTA. Le LLR héberge de nouveau une réunion plénière de la collaboration H.E.S.S.

A la suite du développement d’un profileur de faisceau ultra-mince pour la protonthérapie PEPITES (Profileur à Électrons secondaires Pour Ions ThérapeutiquES), un brevet d’invention est déposé : “SYSTEME DE CARACTERISATION D'UN FAISCEAU DE PARTICULES CHARGEES ET MACHINE DE PRODUCTION D'UN FAISCEAU DE PARTICULES CHARGEES COMPRENANT UN TEL SYSTEME”.

Pour la première fois l'émission de très haute énergie d'un sursaut gamma. Cette découverte a été faite en juillet 2018 par le télescope géant de 28 mètres du réseau H.E.S.S.

Mathieu de Naurois reçoit la médaille d’argent du CNRS.

Le LLR participe au projet CTA (Cherenkov Telescope Array) depuis son tout début (vers 2006). Ce projet a l’ambition d’être une collaboration mondiale réunissant les forces vives des expériences leader actuelles (HESS, Magic, Veritas) en astronomie Cherenkov pour construire deux réseaux de télescopes (un dans chaque hémisphère) avec un gain en performances d’un facteur 10 par rapport aux expériences actuelles. Dans ce vaste consortium, le LLR est responsable du design et de la construction de la mécanique et de la thermique de la caméra NectarCAM pour les télescopes de taille moyenne. Le LLR a participé au test de la caméra prototype (modèle de démonstration) sur le télescope prototype à DESY en mai/juin 2019 et il a analysé les données recueillies. Il a également contribué au livre « Science with the CTA » publié en 2019.

Démonstration de la faisabilité du programme de physique des ions lourds avec l’expérience LHCb en configuration cible fixe.

Le groupe Neutrinos s'implique fortement dans les upgrades du détecteur proche ND280 avec le design de l'électronique de lecture du Super-FGD (Fine Grain Detector) correspondant à 500 cartes front-end (FEB) pour la lecture des 60000 MPPCs du détecteur.

Le LLR héberge le « gamelab » de la nouvelle chaire de « Science et Jeu Vidéo » créée par l’Ecole polytechnique et Ubisoft.

Yves Sirois devient directeur du laboratoire.

Première observation de la production conjointe de trois bosons W ou Z dans les collisions proton-proton auprès LHC par CMS. Évidence de la production électrofaible de 4 leptons chargés et 2 jets.

L'expérience T2K observe pour la toute première fois des différences entre les mécanismes d'oscillation des neutrinos électroniques et des antineutrinos électroniques et fait la une de la revue Nature. La conservation de la symétrie CP dans le secteur des leptons est exclue à 2 sigmas, et les données semblent indiquer une violation maximale de cette symétrie.

Après réparation et mise à niveau du détecteur, l’immense cuve d'eau de Super-Kamiokande (SK) est désormais dopée à 0.02% en gadolinium pour augmenter ses performances dans la détection des neutrinos de basse énergie. Le successeur de SK est aussi en route avec le début des travaux d'excavation de la caverne destinée à accueillir Hyper-Kamiokande (plus de 8 fois le volume de Super-Kamiokande).

Prolongation de la prise de données de HESS pour au moins 3 ans au-delà du terme initialement prévu. Directement issu des travaux effectués au LLR, la résolution spatiale du processus d’accélération dans le jet de Centaurus A est publiée dans Nature.

Approbation de la première phase de construction de CTA (Cherenkov Telescope Array) qui prévoit, pour 2027, 13 télescopes sur le site de La Palma aux îles Canaries (4 grands et 9 moyens) et 51 dans le désert d’Atacama au Chili (14 moyens et 37 petits). Cette configuration initiale garantit l’amélioration des performances d’un facteur 5 à 10 par rapport aux instruments actuels.

Le mardi 31 mai 2022 à 10h09, le moniteur PEPITES produit son premier diagnostic sous la forme des profils transverses du faisceau de protons de 68 MeV délivré par le cyclotron ARRONAX.

Livraison au CERN des éléments mécaniques permettant la mise en oeuvre d’un premier prototype complet d’une cassette de la partie électromagnétique de HGCAL, le futur calorimètre de très haute granularité de CMS pour la phase de haute luminosité du LHC.

Le détecteur de neutrinos à haute granularité "SuperFGD" est installé dans l’aimant ND280 de l’expérience T2K.

L’équipe Smilei est lauréate de la catégorie "Science et Technique" lors des Prix Science ouverte du logiciel libre de la recherche 2023 .Le laboratoire a fortement participé à cette réussite de par ses contributions dans le code pour la simulation des accélérateurs laser-plasma ainsi que dans les aspects haute performance.

Émilie Maurice reçoit la médaille de bronze du CNRS.