IN2P3 50 ANS DE PHYSIQUE

Création du LPNHE par la réunion de 2 groupes travaillant sur des expériences de chambre à bulles à l’Institut du Radium (Paris) et à l’Institut de Physique Nucléaire (Orsay).

Le LPNHE a participé à plusieurs expériences avec la chambre à bulles à hydrogène Mirabelle, construite à Saclay et installée sur l’accélérateur de Serpukhov.

Un groupe du LPNHE a contribué au projet EHS (European Hybrid Spectrometer au CERN) associant une chambre à bulles à un spectromètre électronique. Parallèlement un autre groupe a rejoint la collaboration CELLO construisant un détecteur destiné au collisionneur PETRA de DESY à Hambourg. Et enfin un troisième groupe a contribué à la construction du détecteur de photon OLGA pour le spectromètre OMEGA au CERN.

4 zones expérimentales étaient prévues sur PETRA, destinées à 5 expériences: PLUTO, TASSO, MARK-J, JADE et CELLO. Après les deux premières années de prise de données, CELLO a remplacé PLUTO, qui avait déjà opéré sur l'accélérateur précédent, DORIS.

Découverte du gluon, vecteur de l’interaction forte, à DESY.

Mesure basée sur l’observation directe de la désintégration des particules charmées dans une chambre à bulles à cyclage rapide LEBC, associée au spectromètre EHS : elle a permis de clarifier expérimentalement les différences entre mésons D chargés et neutres et de contraindre les modèles théoriques de leur désintégration.

Publication du premier rapport d'activité; ils sont publiés tous les 2,5 ans depuis.

Expérience PS191 : recherche de désintégration de neutrinos lourds au CERN-PS (1982-1984). Les limites établies par cette expérience restent d'actualité près de 40 ans plus tard. De plus, un signal inattendu pouvant être interprété comme une oscillation de neutrinos a justifié un prolongement de l'expérience, qui n'a pu se faire qu'à Brookhaven avec E816.

Découverte des particules W et Z dans les expériences UA1 et UA2 au CERN, confirmant le Modèle Standard de la physique des particules - Prix Nobel 1984 à Carlo Rubbia et Simon van der Meer.

La cérémonie du premier coup de pioche pour le LEP a eu lieu en présence de François Mitterrand. Dans la proposition technique de DELPHI, une des quatre expériences sélectionnées pour ce futur collisionneur électron-positron, le LPNHE s'engage à participer à la construction du détecteur de traces dit "externe".

Suite de l'expérience PS191, l'expérience E816 a été menée avec le même appareillage transporté à Brookhaven. L'expérience n'a pas confirmé l'excès d'événements vu dans PS191.

Deux propositions d'expérience sont défendues pour le nouvel accélérateur HERA: Zeus et H1. L'IN2P3 se concentre sur la participation à H1 à laquelle se sont joints le LPNHE, le LLR, le LAL et Saclay.

Fin des activités de chambre à bulles, à l’origine de la création du LPNHE, sur décision de l’IN2P3.

Le détecteur Kamiokande au Japon avait été conçu pour mesurer la durée de vie du proton mais il s'est révélé précieux aussi pour les neutrinos solaires,atmosphériques … et venant de supernovae: le 23 février 1987 l'explosion d'une supernova dans le Grand Nuage de Magellan a conduit à l'observation de 11 interactions de neutrinos dans Kamiokande. Masatoshi Koshiba obtiendra le Prix Nobel en 2002 pour cette découverte. Le succès de Kamiokande a ensuite permis au projet Super-Kamiokande de voir le jour ainsi qu'à terme à celui de Hyper-Kamiokande dont la construction a été décidée au Japon en 2020.

Après l'arrêt par EDF du finacement de la centrale solaire expérimentale de Thémis dans les Pyrénées Orientales, une collaboration IN2P3-CERN-Saclay y a installé l'expérience THEMISTOCLE pour tester le principe de la détection du rayonnment gamma de très haute énergie à partir du rayonnement Cherenkov produit par les particules secondaires créées dans l'atmosphère. Le LPNHE a pris en charge la mesure du temps dans cette expérience.

Les biennales du laboratoire sont pérénisées et auront lieu tous les 2 ou 3 ans dans toute la France.

Démarré le 14 juillet 1989, l'exploitation du LEP a permis aux 4 expériences de collecter des données qui meneront très rapidement à la découverte que la matière est organisée en 3 familles de particules.

Le projet, proposé par l'IN2P3, repose sur une fusion avec le Laboratoire de Physique Corpusculaire du Collège de France et une intégration dans l'Université de Marne la Vallée en cours de création. Le projet sera abandonné en 1990, le LPNHE ne souhaitant pas se couper des universités Paris VI et Paris VII.

Le LPNHE explore un nouveau type de calorimètre Spacal (Spaghetti Calorimeter) dans le cadre des R&D pour les détecteurs du LHC, initiées au CERN sous le projet LAA-RD1.

Sur une idée de François Vannucci, l'expérience NOMAD cherchait à mettre en évidence des oscillations à courte distance de neutrinos muoniques vers des neutrinos tauiques, oscillations qui auraient renforcé le neutrino comme candidat à la matière noire. L'idée expériementale était d'identifier cinématiquement le neutrino tau par la désintégration du tau produit dans l'interaction.

Après l'installation de bureaux dans la coupole libérée en 1986 par le déménagement du CC-IN2P3 à Lyon, le LPNHE s'agrandit en particulier avec la construction d'un amphithéatre (qui sera appelé amphithéatre Grossetête par la suite) et la transformation des salles de scanning des photos de chambres à bulles en laboratoires et ateliers.

L'approbation de 2 nouveaux collisionneurs asymétriques, PEP-II à Stanford et KEKB à Tsukuba a conduit les groupes français (LAL, LLR, LPNHE et Saclay) à rejoindre la collaboration BaBar.

En prolongement de la R&D sur la calorimétrie à argon liquide (LAA-RD3), les laboratoires de l'IN2P3 (LAL, LAPP, LPNHE) et de l'Irfu-Saclay proposent un calorimètre à géométrie en accordéon offrant une réponse rapide aux particules et une excellente stabilité des mesures. Ce sera un défi de construction. Le projet est préféré par la collaboration ATLAS au calorimètre Spacal.

Le LPNHE et les autres laboratoires français se sont engagés pour la construction de compteurs Cherenkov pour l'identification des particules (le DIRC).

Découverte du quark top par les expériences CDF et D0 sur le TeVatron à Fermilab au cours du premier Run de prise de données de cet accélérateur.

Grâce aux résultats de l'étude menée dans LAA-RD1 au CERN sur la calorimétrie, la collaboration H1 a choisi la technique Spacal pour l'amélioration de son détecteur. Le LPNHE a fourni l'acquisition de données et une partie de l'électronique analogique.

CAT (Cherenkov Array at Themis) est un télescope installé à Font Romeu et permettant la détection de rayons gamma à haute énergie (>200 GeV). Le spectre d'émission de la nébuleuse du Crabe devient une référence pour toute la discipline.

Après un séjour à Berkeley (LBL) dans le groupe de Saul Perlmutter, Reynald Pain a initié au LPNHE une activité de cosmologie observationnelle en participant au Supernova Cosmology Project.

Première observation par CAT de la grande variabilité (jusqu'à un facteur 7) des flux de gamma reçus du noyau actif de galaxie Mrk 501, observation corroborée par les expériences Whipple et HEGRA.

À l'occasion de la mise en place d'un programme majeur d'amélioration des détecteurs du Tevatron, le LPNHE a proposé de participer à la seconde phase de l'expérience D0 en contribuant à la calibration électronique du calorimètre.

L'expérience Super-Kamiokande (au Japon) avec les neutrinos atmosphériques puis l'expérience SNO (au Canada) avec les neutrinos solaires ont établi que les neutrinos oscillaient et étaient donc massifs. Le Prix Nobel 2015 a été attribué à Takaaki Kajita et Arthur McDonald.

Le Prix Nobel 2011 a été attribué à Adam Riess, Brian Schmidt et Saul Perlmutter pour la découverte de l'expansion accélérée de l'Univers. Depuis 1997, le LPNHE participe à l’analyse des données de supernovae retraçant l’histoire de l’Univers.

La question de l'origine et de la nature des rayons cosmiques d’énergie extrême motive la construction du gigantesque réseau échantillonnant au sol les gerbes atmospériques déclenchées par ces rayons cosmiques. La contribution du LPNHE porte sur le système de déclenchement et d'acquisition du réseau ainsi que sur le transfert de données par télécommunication.

Après le refus par le CERN de la proposition P311 pour tester le résultat de LSND dans les oscillations de neutrinos, la nécessité d'une maîtrise de la connaissance des faisceaux de neutrinos s'impose pour les futures générations d'expériences d'oscillations. L'expérience HARP étudie la production de hadrons avec un appareillage partiellement récupéré de NOMAD. Le groupe du LPNHE a en charge l'installation des chambres à dérive, leur acquisition et la reconstruction.

La découverte de la violation de CP dans les mésons B a été annoncée par les expériences BaBar et BELLE pendant l'été 2001. Et en 2008, le Prix Nobel a été attribué à Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa pour leurs travaux théoriques sur la violation de CP.

Le Run II enregistre ses premières collisions à une énergie dans le centre de masse portée à 1,96 TeV contre 1,8 TeV au Run I.

MEGACAM, imageur de 1 degré carré construit à Saclay et installé sur le télescope Canada-France-Hawaii, a été jugé suffisamment exceptionnel pour que les communautés françaises et canadiennes acceptent d'investir une centaine de nuits par an sur le programme d'observation appelé CFHT Legacy Survey.

La partie française de la collaboration a eu en charge la réalisation et la construction des caméras. Le LPNHE est chargé de la conception et de la production de leur électronique ainsi que du système d'acquisition.

L'analyse des données de la première année Supernova Legacy Survey produit les meilleures contraintes sur l'équation d'état de l'énergie noire.

Après une première expérience de recherche d'oscillations à grande distance au Japon (K2K), une collaboration élargie a proposé d'utiliser le nouveau complexe d'accélérateurs J-PARC pour l'expérience T2K dont le détecteur proche serait installé dans l'ancien aimant de UA1/NOMAD transporté au Japon et le détecteur lointain serait Super-Kamiokande. La contribution du LPNHE a porté sur l'alimentation électrique de l'aimant et sur l'électronique des chambres à projection temporelle du détecteur proche.

Lancement d'une design study européenne de 3 ans avec pour objectif de gagner un ordre de grandeur en sensibilité sur un spectre de 4 décades au delà de 10 GeV par la construction d'un vaste réseau de télescopes.

Malheureusement un accident de cryogénie en septembre 2008 a nécessité plus d'une année de réparation. Le redémarrage pour une réelle prise de données n'a eu lieu que le 20 novembre 2009.

Au niveau de précision requis par l'expérience T2K, une bonne compréhension du faisceau de neutrino est indispensable. Une partie de la collaboration T2K, dont le groupe du LPNHE, participe au CERN à une expérience de hadronproduction dédiée.

Après plusieurs années de R&D sur la caméra de LSST, un MoU a été signé entre le CNRS-IN2P3 et le LSSTC. Le LPNHE s'engage sur l'évaluation des CCD, l'électronique de lecture des CCD et la mécanique du changeur de filtres, qui place les filtres en 120s devant la caméra. Il sera livré en 2020.

Le gigantesque chantier de désamiantage de Jussieu a été l'occasion de regrouper la physique dans le secteur Nord-Ouest du campus. Le LPNHE s'y est installé dans des locaux rénovés, fonctionnels et équipés de salles d'expériences et de tests modernes, de nouvelles salles blanches et de salles informatiques dédiées, en particulier à la Grille de Calcul.

Le LPNHE collabore à la R&D CALICE (Calorimeter for the linear collider with electrons) qui a en charge la calorimétrie.

L'inauguration des nouveaux locaux du LPNHE a coincidé avec l'anniversaire des 40 ans du LPNHE. Ce fut l'occasion de revenir sur l'histoire du laboratoire avec certains de ses premiers acteurs.

Le 4 juillet 2012 est annoncée la découverte du boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS au cours d'un séminaire exceptionnel au CERN en duplex avec la conférence ICHEP en Australie. Le Prix Nobel 2013 sera attribué à Peter Higgs et François Englert pour leur invention du mécanisme de génération de la masse des particules, près de 50 ans auparavant. Plusieurs laboratoires de l'IN2P3 ont contribué à cette découverte, dont le LPNHE

Avec la mise en service d'un cinquième télescope, le plus grand télescope Cherenkov au monde à ce jour, H.E.S.S. entre dans sa deuxième phase, avec un seuil de détection et une sensibilité grandement améliorés. Le LPNHE a coordonné la construction de la caméra de ce cinquième télecsope.

T2K est la première expérience d'oscillations de neutrinos à mettre en évidence l'apparition de neutrinos électroniques dans un faisceau de neutrinos muoniques.

La recherche de matière noire est intitiée au LPNHE dans 3 directions exploratoires: avec la participation à l'expérience DAMIC, avec l'entrée d’un groupe dans la collaboration XENON et avec la contribution à l’expérience DarkSide.

Après deux ans d’interruption pour travaux de maintenance et d’amélioration, l’énergie de collision au redémarrage du LHC est de 13 TeV. En parallèle, les jouvences des détecteurs en vue notamment du run HL-LHC démarrant en 2027 sont à l'étude. Le LPNHE s'engage pour ATLAS dans la construction d'un nouveau détecteur de traces entierement en silicium (Itk) et dans la conception d'un tout nouveau détecteur ajoutant une mesure de temps qui renforce la résolution du détecteur. Pour LHCb, le LPNHE contribue à la refonte complète d'un trigger entierement logiciel.

Un groupe du LPNHE participe à la R&D pour définir et prototyper GRAND (Giant Radio Array for Neutrino Detection), un réseau de centaines de milliers d'antennes destiné à détecter des neutrinos d'énergie extrême.

Prolongeant les recherches sur les oscillations acoustiques de baryons menées avec eBOSS, le groupe s'intègre au Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) avec une contribution instrumentale (calibration) et d'analyse sur les forêts Lyman-alpha des quasars.

L'expérience COMET va rechercher la transition cohérente de muon en électron assistée par un noyau. Evénement extrêmement rare dans le Modèle Standard de la physique des particules, son observation pourrait être le signe d'une physique au delà du Modèle Standard.

L'observation de la rémanence (afterglow) d'un sursaut gamma (GRB) a été détectée plus de 10 heures après les premières lumières. Ce GRB long pourrait être lié à l'effondrement d'une étoile géante pour former une étoile à neutrons ou un trou noir.

La plus grande caméra au monde pour la cosmologie observationnelle des 20 prochaines années est assemblée à Stanford. Le système de changeur de filtre, fourni par les équipes françaises, a été livré en 2020.

Pour accéder à un échantillon de supernovae proches de très haute qualité, nécessaire pour préparer les analyses de LSST, ZTF (Zwicky Transient Facility) s'est révélé être le seul survey accessible dans les 3 ans qui viennent. De même pour préparer la calibration photométrique pour le télescope LSST, le projet StarDICE utilisant une étoile artificielle ultra-stable permettant un étalonnage en flux avec une précision supérieure au millième est initié au laboratoire.

À la lumière des récentes recommandations de la Stratégie Européenne pour la physique des particules, le projet de futur collisionneur circulaire (FCC) au CERN est une option très attrayante et un groupe du LPNHE a décidé de s'impliquer dans ce projet.

Le projet Hyper-Kamiokande a été approuvé par le Ministère de la recherche et de l'enseignement japonais (MEXT).