Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie

Le pôle de Physique Nucléaire est une communauté de « constructeurs » qui travaille sur plusieurs thèmes de recherche[16] : physique des ions lourds (collisions centrales, multi fragmentation, réactions fortement dissipatives, équation d’état, faisceaux moléculaires, interactions ions/matière), noyaux super lourds (synthèse et structure, spectroscopie après recul et/ou thermalisation, propriétés fondamentales), formes exotiques et magicité (évolution de la magicité, coexistences de formes, triaxialité et super déformation), corrélations exotiques (pairing pn, clustering, halos, drip lines) et astrophysique nucléaire sur accélérateur. Les activités expérimentales de ce pôle ont lieu aussi bien localement (notamment ALTO)[17] - [18] que nationalement (GANIL) et internationalement (ISOLDE au CERN, RIKEN, Jyväskylä, Argonne, Legnaro, Dubna, …).

Le domaine scientifique du pôle de Physique des Hautes Énergies (PHE) est celui de l’étude des constituants élémentaires de la matière, les quarks (constituants, entre autres, des protons et des neutrons) et les leptons (par exemple l’électron ou le neutrino):

Trois des quatre grandes expériences du LHC au CERN sont présentes dans ce pôle. Dans l’expérience ALICE on étudie le plasma de quarks de gluons et plus généralement l’interaction forte dans les domaines perturbatif et non-perturbatif dans ATLAS[19] on teste le Modèle Standard en mesurant précisément de nombreux processus, en particulier ceux permettant d’étudier les propriétés du boson de Higgs, mais aussi en cherchant des signes indiquant l’existence de nouvelle physique; dans l’expérience LHCb on travaille sur des observables en lien avec l’interaction forte et la recherche de signes de physique au-delà du Modèle Standard via des mesures précises dans le domaine des hadrons comportant un quark c ou b[20] - [21] - [22].

Dans le but d’étudier et tester le Modèle Standard, le pôle participe également à des expériences situées en dehors du CERN : l’expérience Belle 2 à KEK au Japon[23] étudie les désintégrations des hadrons comportant un quark c ou b ainsi que celles des leptons tau; la collaboration ILC prévoit de tester finement le Modèle Standard en particulier le secteur du boson de Higgs avec un collisionneur linéaire.

Le pôle étudie également la structure des nucléons au Jefferson LAB aux Etats-Unis et les effets du milieu nucléaire sur les propriétés des hadrons avec l’expérience HADES à GSI en Allemagne.

Les neutrinos sont les particules dont les propriétés pointent vers une physique au-delà du Modèle Standard étudiée dans plusieurs expériences (Double CHOOZ[24] - [25], SuperNemo, Solid, JUNO, DUNE) en fonctionnement ou en construction afin d’élucider leurs caractéristiques[26]. Par ailleurs le pôle effectue des tests sur la théorie quantique de l’électromagnétisme dans le régime des champs intenses (expérience DeLLight).

Les thèmes de recherche du pôle Astroparticules, Astrophysique et Cosmologie (A2C) visent à approfondir notre compréhension de l’Univers.

Les équipes de recherche du pôle sont fortement impliquées dans la détection et la compréhension des ondes gravitationnelles (LIGO, Virgo)[27] - [28], la détection et la recherche de l’origine des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie (Observatoire Pierre Auger)[29], ainsi que l’observation du ciel en rayons X ou gamma dans une gamme d’énergie des photons comprise entre le keV et le GeV (SVOM, projet ASTROGAM) jusqu’à plusieurs centaines de TeV (CTA). Ces recherches offrent un moyen privilégié d’étude des phénomènes énergétiques dans l’Univers : explosions stellaires, coalescence d’objets compacts (étoiles à neutrons, trous noirs) en systèmes binaires, éjection de matière de noyaux actifs de galaxie, annihilation d’antimatière, etc. Les équipes participent pleinement au développement actuel de l’astronomie multi-messagers et multi-longueurs d’onde[30] - [31].

En cosmologie, qui vise à étudier l’origine, la nature, la structure et l’évolution de l’Univers, il y a deux axes majeurs de recherche du pôle. Un premier thème consiste à étudier les composantes sombres de l’Univers – l’énergie noire et la matière noire – à travers l’observation des grandes structures, grâce aux relevés optiques (LSST[32] - [33]), et en radio, à 21 cm (BAORadio). Le deuxième thème s’intéresse à la compréhension de l’Univers primordial, sa phase d’inflation et son évolution, à travers la recherche des ondes gravitationnelles primordiales via les mesures du fond diffus cosmologique aux grandes et aux petites échelles (Planck, LiteBIRD, et Simons Observatory). Les équipes sont, entre autres, fortement impliquées dans l’interprétation de ces données pour caractériser les neutrinos (masse, nombre de famille et hiérarchie).

Concernant les neutrinos et la matière noire, les études basées sur des observations du ciel et de l’Univers sont renforcées par des activités dédiées à la compréhension de leur nature. La recherche bolométrique de la double désintégration beta dans l’expérience CUPID[34] permettra d’apporter des informations cruciales sur la nature de cette particule, en investiguant si le neutrino est le seul fermion à être égal à sa propre antiparticule. L’utilisation de bolomètres dans le pôle est aussi à la base d’une future expérience de détection de diffusion cohérente de neutrinos (RICOCHET) et de la recherche directe de la matière noire à basse masse (EDELWEISS).

Les activités du pôle comprennent également des recherches sur la matière primitive du système solaire afin de préciser le contexte astrophysique de formation du système solaire, et de mieux comprendre l’origine des premières phases minérales et organiques, héritées du milieu interstellaire ou synthétisées dans le disque protoplanétaire[35] - [36].

Le Pôle Énergie et Environnement (E&E) est composé de chimistes et physiciens dont les recherches sont reliées à la problématique de l’énergie nucléaire et de l’environnement. Les projets de recherche abordent des questions de science fondamentale d’intérêt pour le développement de l’énergie nucléaire. Ils conjuguent diversité et complémentarité : chimie et physique pour l’énergie nucléaire, études de scénarios énergétiques à l’échelle mondiale, nouveaux concepts de réacteurs et développements de nouveaux combustibles, traitements innovants des déchets nucléaires et transmutation, recyclage des actinides, étude de la fission nucléaire, propriétés physico-chimiques des actinides en phases condensées (solides, solutions aqueuses, sels fondus, liquides ioniques, interfaces solide/liquide) et leur spéciation, matières radioactives et leurs interactions avec l’environnement, nouveaux matériaux pour le cycle électronucléaire et la fusion (alliages métalliques avancés, aciers à dispersions d’oxydes, céramiques pour l’énergie nucléaire du futur), simulation expérimentale par accélérateur des conséquences de l’irradiation de solides et modélisations associées.

Les activités de recherche du pôle Physique Santé s’articulent autour de trois thèmes principaux : l’imagerie radio-isotopique et optique pour les applications cliniques et précliniques en cancérologie et neurobiologie (endomicroscopie optique non linéaire et multimodale, imagerie gamma ambulatoire pour la radiothérapie interne et la chirurgie, sondes intracérébrales), le développement de nouvelles approches en radiothérapie (fractionnement spatial de la dose par rayons X, protons et ions lourds et dosimétrie en conditions non standard) et la modélisation de systèmes biologiques (croissance de tumeurs cérébrales, étude de la migration et de la prolifération cellulaire, histologie quantitative, trafic intracellulaire).

Les thèmes de recherche principaux du Pôle Théorie sont la physique nucléaire, la cosmologie et gravitation, la physique au delà du modèle standard, la physique hadronique et de l’interaction forte, la physique des saveurs des quarks et des leptons, la physique mathématique ainsi que la physique statistique.

Les thématiques de physique nucléaire couvrent différents aspects des comportements nucléaire, depuis les caractéristiques des baryons isolés jusqu’aux comportements collectifs de la matière nucléaire[37] - [38].

En physique des particules, les thématiques de physique hadronique et de l’interaction forte couvrent la chromodynamique dans ses régimes perturbatif et non-perturbatif, linéaire et non-linéaire, le contenu multidimensionnel en quarks et gluons des hadrons, ainsi que la production d’états liés de quarks lourds. Les thématiques de la physique des saveurs des quarks et des leptons s’étendent sur un large domaine et énergie : elles s’appuient sur des théories effectives de champs (e.a. SMEFT) ou QCD (en particulier ses aspects non-pertubatifs via la QCD sur réseaux) et consistent en la construction de nouveaux modèles théoriques prédisant des scénarios réalistes de physique au delà du modèle standard et en des études phénoménologiques à basses et hautes énergies[39] - [40]. Enfin, les thématiques de la physique au delà du modèle standard couvrent une grande variété de sujets tels que la matière noire, les oscillations de neutrinos, l’asymétrie matière-antimatière, le problème de CP fort, l’unification des couplages, …

Les thématiques de cosmologie et gravitation couvrent la gravitation en présence de dimensions supplémentaires, ainsi que sur les conditions initiales dans l’univers primordial et leur effet sur les structures galactiques.

Les thématiques de physique statistique couvrent les systèmes composés d’un très grand nombre de composantes (ou « degrés de liberté »). Les thématiques de physique mathématique couvent d’une part des méthodes algébriques et géométriques dans des domaines variés allant de la géométrie non commutative à la théorie quantique des champs, d’autre part l’analyse classique et l’analyse fonctionnelle en mécanique quantique et en théorie des champs.

Le pôle Physique des Accélérateurs se concentre sur les innovations en physique des accélérateurs. Par ses expertises, ses effectifs et ses moyens techniques, ce pôle contribue de façon importante aux activités de recherche et développement du domaine, ainsi qu’à la conception et à la construction de grandes machines. Cette capacité à construire de grands équipements pour des projets nationaux et internationaux (GANIL, ESS, MYRRHA[41]...) s’insère aussi dans la stratégie au niveau national de l'IN2P3, par exemple dans le projet I.FAST[42].

Le pôle Ingénierie est à même de concevoir et de construire les instruments du futur des thématiques d’IJCLab. Il est organisé en quatre départements : en électronique, informatique, instrumentation et mécanique. Il regroupe des profils de métiers très variés, faisant coexister la polyvalence et la spécialisation. Dans les grands projets en cours de développement on peut citer des contributions majeures dans les upgrades LHC pour le CERN à Genève (ATLAS ITK, Alice Dimuon, LHCb…). Le pôle avec le laboratoire est aussi engagé dans la grande majorité des projets de physique nucléaire du moment (GRIT, AGATA…). De nombreux projets sont en phase de maturation ou de définition tels le satellite Litebird avec le CNES, le projet Neutrino CUPID au Gran Sasso, ou la campagne NuBall2 auprès de l’accélérateur Transnational Access ALTO d’Orsay. Le pôle gère plusieurs plateformes techniques dont le centre de données Virtual Data et la plateforme Captinnov.

IJCLab dispose de plusieurs plateformes pour mener ses recherches et accueillir les recherches de collaborations et internationales, ainsi que des industriels.

ALTO regroupe deux accélérateurs uniques en France : un accélérateur électrostatique type Tandem de 15 MV permettant d’accélérer des faisceaux stables du proton aux agrégats, et un accélérateur linéaire d’électrons pour la production de faisceaux radioactifs par photofission. A ces machines est associée une grande variété de dispositifs expérimentaux sur 10 lignes de physique, accueillant de nombreuses colalborations expérimentales pour mener leurs recherches[43].

Andromède est une plateforme de recherche et de formation multidisciplinaire, avec une large gamme des faisceaux de plusieurs MeV : protons, ions atomiques multichargés, molécules et nanoparticules d’or[44].

JANNuS-SCALP est une plateforme de recherche interdisciplinaire permettant de contribuer à de nombreux champs scientifiques allant des sciences des matériaux[45] à l’astrophysique, en passant par la géologie[46] et la physique nucléaire. Les domaines d’application sont variés : les énergies nucléaire (fusion/fission) et solaire, la microélectronique,  et la production d’isotopes pour le médical. Elle permet de caractériser in situ à l’échelle nanométrique l’évolution des modifications structurales et chimiques des matériaux soumis à un ou deux faisceaux d’ions.

LASERIX propose à la communauté scientifique et industrielle l’accès à une gamme complète de sources cohérentes, intenses et brèves (50 fs à 10 ps) dans les domaines proche-infrarouge (800 nm) et EUV (30 à 90 eV). Elle élargit actuellement ses domaines d’applications vers l’accélération d’électrons dans une onde plasma créée par sillage laser.

La plateforme SUPRATECH[47] est dédiée à la R&D sur les cavités supraconductrices des futurs accélérateurs de particules de haute énergie et de forte puissance. Elle fournit tout l’équipement nécessaire pour préparer, conditionner, assembler et tester des cavités RF  supraconductrices pour les projets dans lesquels IJCLab est impliqué, en particulier pour obtenir de forts gradients de champ accélérateur avec une haute fiabilité.