Une filière nucléaire au thorium

L’utilisation du thorium dans un réacteur nucléaire est régulièrement présentée comme une alternative à la filière fonctionnant à l’uranium. L’analyse détaillée des avantages et des inconvénients technico-économiques de cette option est complexe mais elle permet de mieux comprendre les choix de la France et d’autres pays.

Certains pays s’intéressent au thorium en tant que combustible nucléaire. Bien que cet élément soit très abondant sur Terre, il n’est pas fissile et ne peut donc pas être utilisé directement comme combustible nucléaire ; son utilisation en réacteur ne peut s’envisager qu’en association avec des éléments fissiles capables d’entretenir une réaction en chaîne. De ce fait, le développement de réacteurs utilisant le thorium ne présente pas d’intérêt technico-économique sur le court ou le moyen terme.
C’est particulièrement le cas en France, qui dispose d’un parc de réacteurs fonctionnant à l’uranium et/ou à l’uranium et au plutonium et d’un cycle du combustible associé, ayant atteint une pleine maturité industrielle. L’intérêt pour une utilisation industrielle à court ou moyen terme du thorium se limite donc aux quelques pays, comme l’Inde, ayant des ressources importantes en thorium et limitées en uranium.

LE THORIUM
EST ENVIRON QUATRE FOIS PLUS ABONDANT QUE L’URANIUM
La proportion de thorium dans la croûte terrestre est de l'ordre de un cent-millième, c'est-à-dire qu'il est plus abondant que l'étain, l'arsenic et les métaux précieux. Il y en a deux fois moins que le plomb, quatre fois moins que le zinc, dix fois moins que le cuivre, mais il est de trois à quatre fois plus abondant que l'uranium. (Source Encyclopedia Universalis) Mais cet avantage doit être pondéré par le fait que les sites où il se trouve assez concentré pour une exploitation économique sont limités.



L’intérêt à utiliser le thorium est surtout manifesté par des pays comme l’Inde qui en possède des gisements importants sur son sol national et a peu de ressources en uranium. Pour les autres pays nucléaires, le thorium est une ressource de combustible fertile utilisable de manière similaire à l’uranium 238. Mais sa mise en œuvre requiert des investissements lourds dans le développement de procédés spécifiques, depuis le laboratoire jusqu’à l’usine, alors que pour l’uranium 238, les procédés existent au stade industriel.

POUR AMORCER UN RÉACTEUR
AU THORIUM, IL FAUT DE L’URANIUM
Dès les années 50, l’idée d’une filière de réacteurs au thorium a suscité l’intérêt des scientifiques parce que le thorium est relativement abondant dans la nature et parce qu’il génère un élément fissile lorsqu’il est irradié par des neutrons. Mais l’uranium est le seul élément naturel à comporter un isotope fissile (uranium 235).
Le thorium n’est pas un élément fissile , mais seulement fertile comme l’uranium 238. Son utilisation en réacteur ne peut s’envisager qu’en association avec des éléments fissiles capables d’entretenir une réaction en chaîne. Son utilisation qui nécessite l’ajout d’un isotope fissile (uranium enrichi ou plutonium) était donc impossible au tout début de l’exploitation de l’énergie nucléaire et ne peut venir qu’en aval d’un cycle U-Pu déjà maîtrisé.
Le démarrage d’un réacteur fonctionnant avec un cycle thorium-uranium 233 requiert :
*         soit une charge d’uranium 233 constituée par irradiation de thorium dans les réacteurs à eau,
*        
*         soit un combustible à l’uranium enrichi (en uranium 235) ou au plutonium, auquel est substitué progressivement le combustible à l’uranium 233 extrait des combustibles thorium passés en réacteur à eau.



L’UTILISATION DU THORIUM
REQUERRAIT DEUX FILIÈRES DISTINCTES
Le système nucléaire devrait alors compter non pas une filière industrielle complète de la mine au déchet, mais deux, très distinctes :
*         Un parc de réacteurs à eau de la filière uranium -comprenant des éléments combustibles au thorium- associé à un procédé de retraitement pour extraire l’uranium 233 ou du plutonium ;
*        
*         Un second parc de réacteurs, amorcé avec les éléments fissiles produits dans les réacteurs à eau, associé à un second procédé de traitement des combustibles au thorium pour recycler l’uranium 233.

Le retraitement des combustibles usés au thorium, indispensable pour les deux options, nécessite le développement, au niveau industriel, d’un procédé spécifique (procédé thorex), distinct de celui utilisé pour l’uranium, qui n’a été expérimenté aux États-Unis qu’à l’échelle du laboratoire, et qu’au niveau pré-industriel en Inde.

 
Cette représentation des réactions nucléaires successives possibles à partir de thorium et d'uranium souligne les similitudes et les différences entre les deux voies. Dans le cas de l'uranium, elle est amorcée par de l'uranium 235 présent dans le minerai naturel puis dans le combustible préparé à partir de ce minerai. Dans le cas du thorium, il faut ajouter artificiellement un élément fissile (ici de l'uranium 235) dans le combustible préparé à partir de minerai naturel de thorium qui est non fissile. Sans cet ajout, la chaîne de réactions ne peut pas être initiée. Les atomes dont le nom est inscrit en noir sont présents dans le combustible dès le départ ; les atomes dont le nom est inscrit en bleu sont fabriqués au cours des réactions en chaîne.


L’IMPACT RADIOLOGIQUE DU THORIUM EST IMPORTANT
Le thorium naturel, compte parmi ses produits de filiation radioactive deux éléments très irradiants qui induisent des doses significatives pour les travailleurs. Certaines étapes de préparation de transport et de manipulation des combustibles et de retraitement du combustible usé pourraient nécessiter des dispositifs de télémanipulation et de radioprotection plus importants qu’avec le cycle uranium.


LA R&D SUR LES COMBUSTIBLES CONTENANT DU THORIUM RESTE À FAIRE
Le traitement des combustibles au thorium est théoriquement possible mais requiert un effort de R&D important dans la mesure où les procédés de traitement sont radicalement différents de ceux aujourd’hui maitrisés et mis en œuvre à l’échelle industrielle pour des combustibles uranium/plutonium. Certaines études mettent en avant un avantage pour le thorium par rapport à l’uranium en terme de radiotoxicité des combustibles usés à traiter, mais ce paramètre peut varier beaucoup en fonction de la composition du combustible en éléments fissiles et fertiles.


LE THORIUM N’ÉVITE PAS
UN STOCKAGE LONG TERME DES DÉCHETS
Dans l’une ou l’autre des deux filières, la réduction de la radiotoxicité des déchets requiert un traitement poussé et un recyclage des actinides. Dans la filière thorium, le dégagement de chaleur des actinides produits est beaucoup plus faible que dans les réacteurs à uranium. Il pourrait être possible de réaliser un stockage de déchets plus compact qu’avec la filière uranium, mais en aucun cas de s’affranchir d’une solution de gestion des déchets à long terme.


UN INTÉRÊT POTENTIEL
À TRÈS LONG TERME
Le thorium présente peu d’intérêt industriel à court et moyen terme. Notre pays maîtrise complètement le cycle du combustible à l’uranium et ne rencontre pas de problème d’approvisionnement en combustible..
Sur le long terme, l’intérêt pour le thorium de la communauté de R&D internationale (Génération IV) est plus largement partagé et porte sur des systèmes nucléaires du futur et les cycles du combustible les mieux à même de valoriser cette ressource fertile tout autant que celle que constitue l’uranium 238 de la filière à l’uranium. Le développement de réacteurs à sel fondu utilisant du thorium est étudié par le CNRS.

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La cryptographie et la communication quantiques

Publié le 12 février 2021

La sécurisation des données intervient à chaque instant dans de très nombreux domaines de la vie privée ou publique et représente un enjeu stratégique pour les entreprises, les grands groupes industriels, les banques ou encore l’État. Les protocoles utilisés aujourd’hui pour le chiffrement et le déchiffrement des messages utilisent des codes mathématiques de plus en plus complexes avec des clefs publiques de plus en plus longues, à mesure qu’augmente la puissance des ordinateurs (classiques) capables de les casser. L’avènement possible de l’ordinateur quantique impose de recourir à d’autres méthodes. Des algorithmes quantiques, implémentés sur un tel ordinateur, mettraient en effet aisément à mal les protocoles classiques.

LA PROMESSE DE L’INVIOLABILITÉ DES COMMUNICATIONS
La cryptographie quantique, qui repose sur la transmission de qubits générés aléatoirement, assure l’inviolabilité des échanges en toutes circonstances. Ces qubits constituent des clefs, qui sont ensuite utilisées dans des protocoles de chiffrement classiques. Dans la mesure où il est impossible de cloner une information quantique sans qu’elle soit détruite, ou de mesurer un état quantique sans le modifier, la lecture de l’information par un intrus serait immédiatement détectée par les destinataires du message.
Pour envoyer des qubits sur de grandes distances, le support privilégié est le photon, qui autorise l’encodage de l’information sur des variables observables telles que la polarisation de la lumière.

© Renaud Sirdey/CEA

La rencontre, à la fin des années 1980, de l'optique quantique et de l'optique non-linéaire a permis le développement de nouvelles sources de photons uniques et intriqués, compactes, efficaces et simples d'utilisation. D’autres techniques ont également vu le jour, autorisant la fabrication et l’exploitation d’émetteurs artificiels, tels que les boîtes quantiques semi-conductrices ou les centres colorés dans les cristaux de diamant.

ZOOM SUR LA BOITE QUANTIQUE
Une boîte quantique est constituée d'une inclusion nanométrique d'un matériau semi-conducteur dans un autre semi-conducteur. Maintenue à des températures cryogéniques (1-50 K), elle se comporte comme un atome artificiel, à la différence qu'elle est beaucoup plus facilement maîtrisable, en permettant l'émission très pure de photons uniques.
VERS DES RÉSEAUX QUANTIQUES À FORT DÉBIT ET À GRANDE ÉCHELLE

Ces technologies, déjà relativement mûres, donnent lieu à des systèmes développés et commercialisés par quelques petites entreprises, comme la compagnie suisse ID-Quantique. Leurs solutions permettent déjà de transmettre des messages, mais pas d’encoder des communications à grande échelle, car le débit de transmission de qubits sécurisés reste encore faible. Par ailleurs, en l’absence de relais et de répéteurs sécurisés, leur système ne peut aujourd’hui fonctionner que sur des distances limitées à quelques centaines de kilomètres.
Dans les laboratoires, l’heure est donc à la construction de véritables réseaux quantiques, permettant de générer, véhiculer, stocker et synchroniser l'information quantique entre sites distants, au même titre que ce qui se fait quotidiennement dans nos réseaux classiques. C’est à ce prix que la communication quantique pourra prendre véritablement son essor.

QUELLES RECHERCHES SUR LA COMMUNICATION QUANTIQUE ?
Afin d’augmenter les débits, la portée et la sécurité des liens de communication quantique, les recherches actuelles se tournent également vers les dernières innovations technologiques en photonique et en micro-électronique.
Des équipes travaillent ainsi à concevoir les relais et répéteurs qui manquent aux systèmes actuels, afin de téléporter ou stocker des états intriqués photoniques en deux endroits distants, puis de synchroniser la réémission des photons.
En parallèle, une nouvelle voie pour une communication quantique intercontinentale s’est ouverte en 2017, lorsqu’une source embarquée sur un satellite chinois a permis de distribuer des photons intriqués entre deux stations sol, séparées par une distance record de 1 200 km. L’augmentation drastique de la portée des réseaux quantiques pourrait en effet passer par l’interconnexion entre les technologies qui relèvent des liens satellitaires et des liens fibre optique.
De nouvelles idées d’hybridation émergent sans cesse : certaines visent à introduire la cryptographie quantique dans les systèmes télécoms existants, d’autres envisagent des solutions post-quantiques à base de cryptographie classique actuellement non attaquables par l’ordinateur quantique.


VERS LA CRYPTOGRAPHIE POST-QUANTIQUE
La cryptographie quantique a néanmoins une limite : puisqu’elle nécessite une liaison optique et ne peut s’opérer via des liaisons radio. C’est pourquoi les chercheurs travaillent déjà sur un autre type de cryptographie, la cryptographie post-quantique dont l’objectif est de développer des systèmes sans liaison physique, capables de résister aux algorithmes quantiques tels que l’algorithme de Shor et de protéger les communications des ordinateurs dits classiques.
Cette cryptographie s’appuie sur des outils classiques qui tournent sur des machines classiques. Seulement, pour résister à un attaquant doté d’un ordinateur quantique, ces cryptosystèmes post-quantiques doivent reposer sur des problèmes mathématiques qui échappent aux ordinateurs quantiques et notamment à l'algorithme de Shor.

ZOOM SUR L'ALGORITHME DE SHOR
L’algorithme de Shor, qui doit son nom à son concepteur Peter Shor, est un algorithme quantique probabiliste. Il ouvre la voie à la factorisation de très grands nombres en un temps record. Or, la plupart des protocoles de cryptographie classique, comme ceux utilisés pour assurer la confidentialité d'une carte bancaire, reposent sur la complexité de cette factorisation. Beaucoup de systèmes cryptographiques deviendraient vulnérables si l'algorithme de Shor était un jour implémenté dans un calculateur quantique.
Ces techniques, connues depuis les années 1990, sont principalement à base de réseaux euclidiens (fondés sur des objets géométriques) ou de codes correcteurs d’erreurs (technique de codage basée sur la redondance). Elles donnent néanmoins lieu à des cryptosystèmes dont le paramétrage est plus délicat, car mettant en jeu plusieurs paramètres interdépendants (comme la dimension du réseau ou la taille des coefficients). C’est ce qui fait toute la complexité de la cryptographie post-quantique, qui pourrait prochainement devenir le standard de la cryptographie des ordinateurs classiques.
Pour assurer la transition entre la cryptographie actuelle et post-quantique, une cryptographie hybride devrait se développer, composée de deux couches de chiffrement, l’une classique et l’autre post-quantique.
La cryptographie post-quantique fait actuellement l’objet de nombreuses recherches. Ces dernières portent entre autres sur :
*         le chiffrement homomorphe, une technique de cryptographie fondée sur les réseaux euclidiens et permettant de calculer dans le domaine chiffré,
*         l’implémentation de ces techniques dans des objets à faible puissance de calcul et des systèmes embarqués,
*         mais aussi sur la résistance aux attaques physiques pendant les phases de manipulation de la clé privée.

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« Pour moi, c’est formidable que la découverte ait été réalisée de mon vivant ! », déclare un Peter Higgs très ému.

Les collaborations CMS et ATLAS viennent juste d’annoncer la découverte au Grand collisionneur de hadrons (LHC) d’une nouvelle particule élémentaire semblable au boson de Higgs.

4 juillet 2012 : François Englert (à gauche) écoute l’intervention de Peter Higgs après l’annonce de la découverte par ATLAS et CMS (Image : Maximilien Brice/CERN)
Quarante-huit ans plus tôt, Peter Higgs publiait un article qui postulait, pour la première fois, l’existence de la particule qui porte son nom, peu après que Robert Brout et François Englert aient proposé un nouveau mécanisme supposé donner leur masse à des particules élémentaires, les bosons. Plus de 30 ans s’étaient écoulés depuis la conception du LHC et une vingtaine d’années depuis la création des collaborations ATLAS et CMS. Des années d’attente, mais à peine plus d’un an pour que l’Académie des sciences de Suède décerne le prix Nobel de physique 2013 à François Englert et Peter Higgs.
Pour Peter Higgs, la découverte du boson de Higgs marquait la fin d’un voyage extraordinaire. Pour la physique des particules, c’était le début d’une nouvelle aventure.
 
« Le » boson de Higgs ou « un » boson de type Higgs ?
« Quand on trouve quelque chose de nouveau, il faut comprendre exactement ce que c’est », observe Giacinto Piacquadio, l’un des coordinateurs du groupe Higgs de la collaboration ATLAS.
Cette compréhension s’acquiert progressivement, au fil du temps. Revenons à ce mois de juillet 2012. Les scientifiques, ne voulant pas trop s’avancer, ne donnèrent pas tout de suite à la nouvelle particule le nom de « boson de Higgs », et osèrent encore moins la décrire comme étant le boson de Higgs prédit par le Modèle standard de la physique des particules. En effet, alors que, pour les théories les plus simples, un unique boson de Higgs suffisait, certaines théories au-delà du Modèle standard prédisaient qu’il pouvait y avoir jusqu’à cinq types de boson impliqués dans le mécanisme d’acquisition de la masse. C’est pourquoi durant les premiers mois qui suivirent la découverte, on parla d’une particule « de type » Higgs, une manière raccourcie de dire « particule qui semble se comporter comme le boson de Higgs prédit par le Modèle standard, mais il nous faut plus de données pour pouvoir en être certains ».
L’identification de deux propriétés quantiques de la particule – le spin et la parité – vinrent conforter l’interprétation du Modèle standard. Le spin est l’orientation spatiale intrinsèque d’une particule, alors que la parité se réfère au fait que les propriétés de la particule restent ou non identiques lorsque que certaines de ses coordonnées spatiales sont inversées – comme si l’on comparait une particule avec son image miroir. Selon le Modèle standard, le boson de Higgs a un spin nul et une parité paire. Au moment de la découverte, le fait que le boson de Higgs se soit transformé en photons signifiait que, contrairement aux autres bosons élémentaires connus, son spin ne pouvait être égal à 1. Les photons ayant eux-mêmes un spin égal à 1, une particule se transformant en deux photons aurait un spin nul (les deux spins du photon s’annulant) ou égal à 2 (si les deux spins s’ajoutent).

Différences entre les scénarios théoriques de parité positive et négative (lignes continue et en pointillé respectivement) pour une particule de spin nul. Les données ne montrent aucun indice en faveur du scénario à parité négative (Image : ATLAS/CERN)
En science, on ne peut jamais affirmer que quelque chose est sûr à 100 %, mais on peut exclure ce qui est improbable. Parce que des particules ayant un spin égal à 2 ou des particules de spin nul et de parité impaire laisseraient dans les détecteurs ATLAS et CMS des signatures légèrement différentes de celle des particules de spin nul et de parité paire qu’ils recherchaient, les scientifiques ont pu exclure cette possibilité en étudiant un très grand nombre de collisions supplémentaires, dans lesquelles ils n’ont trouvé aucun indice en ce sens. « Nous avons dû analyser deux fois et demie plus de données avant de pouvoir arrêter de dire  « de type Higgs » », ajoute Giacinto Piacquadio. À partir de mars 2013, les scientifiques ont donc pu sans état d’âme appeler la particule « boson de Higgs », tout simplement.

Le bon créneau
Le boson de Higgs était la dernière pièce manquante du Modèle standard. C’est la valeur de sa masse qui allait déterminer comment il pourrait être observé. Il s’avéra que 125 gigaélectronvolts (GeV) étaient pile le niveau d’énergie qui rendait possible l’étude de la particule au Grand collisionneur de hadrons.
Il n’est pas possible d’observer directement un boson de Higgs. Comme la plupart des particules, il est instable et, juste après avoir été produit, il se transforme en des particules plus légères par un processus appelé « désintégration ». Les détecteurs ATLAS et CMS ne peuvent donc observer que les restes de ces transformations, des « signatures » indiquant qu’un boson de Higgs pourrait bien avoir été produit dans les collisions au LHC. Par ailleurs, les particules observées en aval de la production d’un Higgs donnent des indices sur la manière dont celui-ci a été produit.
La masse du boson de Higgs n’avait pas été prédite de manière précise par le Modèle standard, mais les théoriciens savaient que les processus à l’œuvre et le type de particules produites en aval dépendraient de la valeur de cette masse. Ils avaient ainsi réalisé, après de savants calculs, des graphiques montrant les différentes probabilités qu’un boson de Higgs d’une masse donnée se transforme en des paires de particules spécifiques. Selon ces chiffres, dits « rapports d’embranchement », un boson de Higgs léger, d’environ 125 GeV, aurait la plus grande palette de transformations possibles observables par ATLAS et CMS : paires de bosons W, bosons Z, photons, quarks bottom, leptons tau et bien d’autres encore. Plus le boson de Higgs peut se transformer en particules observables différentes, plus les scientifiques peuvent étudier ses interactions avec ces particules.

Le taux auquel un boson de Higgs peut subir certaines transformations (axe vertical) dépend de sa masse (axe horizontal) (Image : CERN)
Bien que le champ de Higgs ait été théorisé pour expliquer la masse des bosons W et Z, l’idée surgit qu’il pouvait aussi jouer un rôle dans la masse des fermions, c’est-à-dire les particules de matière. Si, du fait de sa masse, on ne pouvait observer que les interactions entre le boson de Higgs, d’une part, et, les bosons W et Z, d’autre part, l’énigme de la masse des fermions allait rester irrésolue. La découverte de la particule à une masse « accessible » fut un cadeau inattendu de la nature. Si le boson de Higgs avait été plus massif, au-delà de 180 GeV, il aurait été plus difficile de l’étudier à l’époque où il a été découvert.
La variété de produits de transformation disponibles signifie que les données sur les différents canaux de désintégration peuvent être combinées par des techniques sophistiquées pour mieux comprendre la particule. « C’est compliqué, explique Giovanni Petrucciani, l’un des coordinateurs du groupe d’analyse du Higgs à CMS. Il faut traiter les incertitudes de la même manière pour chaque analyse et procéder à un travail minutieux d’interprétation des résultats, après un traitement statistique complexe. » C’est en combinant les données de la transformation du boson de Higgs en paires de bosons Z et en paires de photons qu’ATLAS et CMS ont pu découvrir le boson de Higgs en 2012.

D’une génération à une autre
Le LHC a commencé à fonctionner à une énergie de collision de 7 téraélectronvolts (TeV), portée ensuite à 8 TeV durant la première période d’exploitation (2010-2013). Les données recueillies pendant cette période ont non seulement conduit à la découverte du boson de Higgs, mais ont aussi montré la relation (« couplage ») entre le boson de Higgs et les bosons élémentaires : on a pu observer qu’il se transformait en paires de W, de Z et de photons. De plus, même s’il n’est pas possible d’observer les transformations en gluons, les scientifiques ont pu étudier ce couplage par la production de Higgs proprement dite : lors des collisions proton-proton, le canal de production de Higgs le plus productif est celui de la fusion de deux gluons (un par proton). C’est ainsi que près de 90 % des bosons de Higgs sont produits au LHC.

Le défi suivant allait être l’observation des couplages aux fermions, qui allait montrer le rôle du champ de Higgs dans l’origine de la masse de toutes les particules élémentaires massives. Ces couplages ont été étudiés de manière indirecte : d’après le Modèle standard, le mécanisme de production par fusion de gluons et la transformation du boson de Higgs en paire de photons suppose la création et l’annihilation de paires « virtuelles » top-antitop. On n’avait toutefois encore jamais observé directement un couplage Higgs-fermion.
Chose curieuse, les deux types de fermions – les quarks, qui se combinent pour former des particules composées comme les protons, et les leptons, dont l’exemple le plus connu est l’électron – sont classés en trois familles, ou générations de particules, chacune plus lourde que la précédente. Et, à la différence des bosons, dont la force de couplage au Higgs est proportionnelle à leur masse, la force du couplage au Higgs des fermions est proportionnelle au carré de leur masse.
Les fermions de troisième génération, les plus lourds, sont donc les particules les plus susceptibles de se manifester dans les processus mettant en jeu le boson de Higgs. « Étudier le lien entre le Higgs et le quark top notamment est très intéressant », observe María Cepeda, coordonnatrice, avec Giovanni Petrucciani, du groupe d’analyse du Higgs à CMS. Malgré leur relative abondance dans ces processus, ces particules sont difficiles à identifier. Les quarks ne pouvant exister seuls, deux quarks bottom (un quark et un antiquark) issus de la transformation d’un Higgs se combinent rapidement avec d’autres quarks extraits du vide quantique et forment des jets de particules. Les expérimentateurs doivent alors mettre une étiquette aux jets de particules portant la signature d’un quark bottom, afin d’isoler le signal. Par contre, le quark top est plus lourd que le Higgs, de sorte qu’il n’est pas possible d’observer la transformation d’un Higgs en deux quarks top. Les scientifiques doivent donc mesurer son couplage au Higgs en recherchant des collisions dans lesquelles un boson de Higgs est produit en même temps que deux quarks top. La deuxième période d’exploitation du LHC (2015-2018) s’est déroulée à une énergie 13 TeV et la grande quantité de données recueillies a permis à ATLAS et CMS d’observer les interactions entre le boson de Higgs et le quark bottom, le quark top et le lepton tau.

Les couplages aux fermions de deuxième génération sont bien plus faibles, et ni ATLAS ni CMS n’ont, à ce jour, observé de transformations du Higgs en quarks c, en quarks s ou en muons. La prochaine période d’exploitation (à partir de 2021) devrait fournir suffisamment de données pour commencer à lever le voile sur ces interactions. « La luminosité instantanée du LHC – le nombre de collisions de protons à un moment donné – a augmenté de manière notable durant les deux premières périodes d’exploitation, note avec enthousiasme Giacinto Piacquadio. Cela signifie que le nombre de bosons de Higgs produits par le LHC continue d’augmenter, tout comme les chances d’observer des transformations plus rares de ces bosons. »
Mais, s’agissant des fermions de deuxième génération, les volumes de données du LHC au cours de toute sa durée d’exploitation ne seront peut-être pas suffisants pour franchir le seuil statistique de 5σ, indispensable pour que l’on puisse revendiquer l’observation de la désintégration du Higgs dans ces différentes particules. Alors même que la luminosité du HL-LHC, qui prendra le relais du LHC à partir de 2026, devrait permettre à ATLAS et CMS d’observer la transformation du Higgs en paires de muons, les transformations en quarks de deuxième génération resteront probablement hors de portée.

Plus de données pour plus de précision
Le boson de Higgs est la clef pour comprendre la nature au-delà de ce qui est décrit par le Modèle standard.
ATLAS et CMS, par exemple, étudient les désintégrations dites « invisibles » du boson de Higgs, dans lesquelles le Higgs se transforme en des particules que les détecteurs ne peuvent pas observer. Ces particules invisibles pourraient être la manifestation de la matière noire. De plus, les mesures de couplages s’écartant de ce que prédit la théorie pourraient apporter une autre explication à la masse des différentes générations de fermions, expliquer pourquoi il existe différentes générations de fermions et apporter des indices de l’existence d’autres bosons de Higgs.

Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs reste toutefois l’un des phénomènes les moins bien compris du Modèle standard. En effet, même si les scientifiques ont cessé de dire « boson de type Higgs », et même s’ils ont amélioré de façon remarquable leur compréhension du boson de Higgs depuis sa découverte, ils ne savent toujours pas si ce qui a été observé est le boson de Higgs prédit par le Modèle standard. Les couplages aux fermions de deuxième génération restent insaisissables, et ceux qui ont été observés sont connus avec une incertitude de 10 à 20 %, qui devrait être ramenée aux environs de 2 à 4 % avec le LHC à haute luminosité (HL-LHC). L’observation de phénomènes jusqu’à présent insaisissables, et les mesures de précision portant sur les phénomènes déjà observés peuvent nécessiter des volumes de données allant largement au-delà de ce que le LHC pourra fournir durant toute sa durée de vie.

La communauté mondiale de la physique des particules est donc favorable à la construction d’une « usine à Higgs », un accélérateur destiné essentiellement à produire des bosons de Higgs dans des quantités énormes, afin de poursuivre l’étude de cette étrange particule. Une usine à Higgs de haute énergie permettrait également de produire deux bosons de Higgs à la fois pour traiter la question de l’interaction du Higgs avec lui-même, processus par lequel le boson de Higgs acquiert lui aussi une masse.

Depuis la découverte du boson de Higgs il y a près de huit ans, ATLAS et CMS ont publié des centaines d’articles sur le sujet et notre compréhension de cette particule s’est améliorée doucement, mais sûrement. Aujourd’hui, nous savons avec une grande précision quelle est sa masse, quels sont les canaux de transformation les plus fréquents et comment elle est produite. Mais de nombreux mystères subsistent, sur le boson de Higgs et sur le monde quantique en général.

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LES ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES

A quoi sert un accélérateur de particules ?


De l’étude des constituants ultimes de la matière à la stérilisation dans l’industrie agroalimentaire en passant par l’étude des matériaux, … découvrez à quoi servent les accélérateurs de particules.


Depuis la conception technique d'un accélérateur dans les années 1920, les accélérateurs de particules se sont beaucoup développés et ont pris des tailles très diverses, de quelques mètres à quelques dizaines de kilomètres.
On peut classer les accélérateurs en deux grandes catégories :
*         Linéaires, où le faisceau de particules traverse une seule fois l'accélérateur
*         Circulaires, où le faisceau de particules repasse plusieurs fois par les mêmes sections.

Mais il existe beaucoup de sous-catégories selon les techniques d'accélération et il y a des variantes combinant différentes catégories. Les grands centres d'accélérateurs utilisent souvent une suite d'accélérateurs de différents types.
On peut classer les accélérateurs selon leurs utilisations, ce qui correspond d'ailleurs aussi à peu près à leur développement historique.

LES UTILISATIONS DES ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES

Etudier la matière et explorer l’atome
grâce aux collisions de particules
L'objectif premier d'un accélérateur est de communiquer de l’énergie à des particules et de provoquer leurs collisions afin d'étudier leurs natures et leurs propriétés. C'est l'étude des constituants élémentaires de la matière.

Pour comprendre un objet complexe (la matière, sa nature, ses propriétés, son origine), les chercheurs l'analysent, c’est-à-dire le découpent en petits morceaux plus simples à étudier, avec l'espoir de pouvoir ensuite comprendre l'ensemble.

Le plus grand accélérateur de particules au monde servant cet objectif de recherche fondamentale est le LHC au CERN (Suisse). C'est un accélérateur circulaire de 27 km de circonférence, lui-même alimenté en particules (protons ou ions de plomb) par toute une série d'accélérateurs linéaires et circulaires.


Il existe aussi des accélérateurs linéaires qui servent à faire collisionner les particules comme le SLAC à Stanford (Etats-Unis) de 3 km de longueur, ou le projet international ILC de 30 km de longueur.

Les communautés d'utilisateurs sont essentiellement les physiciens nucléaires (étude du noyau atomique) et les physiciens des particules (étude des constituants du noyau).
 

Par ailleurs, en France, depuis 1983, les physiciens disposent du Grand accélérateur national d'ions lourds, le Ganil. Cet accélérateur d’ions, reconnu Grande installation européenne depuis 1995, est un équipement commun au CEA et au CNRS dédié aux recherches fondamentales et appliquées en physique nucléaire, en physique atomique et des matériaux. Chaque année, plus de 700 physiciens y sont accueillis pour étudier l’atome et son noyau, dont près de 300 chercheurs étrangers (en majorité européens). Grâce au Ganil, les chercheurs ont fait de nombreuses avancées et découvertes sur la structure du noyau de l'atome, ses propriétés et l’interaction d’ions lourds avec la matière.

Spiral2 (Système de Production d’Ions Radioactifs Accélérés en Ligne) produira et accélèrera dès 2016 des faisceaux d’ions stables parmi les plus intenses du monde. Ils permettront de mener des études jusqu’alors impossibles, ouvrant ainsi de nouveaux horizons à la physique du noyau, dans la continuité des expériences réalisées au Ganil depuis plus de 30 ans. Spiral2 donnera à la France et à l’Europe une réelle avance technologique et scientifique.


Les noyaux exotiques, la spécialité du Ganil
La « spécialité » du Ganil est la production et l’étude des noyaux exotiques. Inexistants sur Terre, ces noyaux qui comportent des proportions anormales de neutrons, représentent près de 90 % des noyaux présents dans l’Univers. Ces noyaux intéressent tout particulièrement les physiciens car leur structure est bien différente de celle des noyaux classiques. En forme de poire, de cacahuète ou de soucoupe volante, … ils bousculent les représentations. Leur étude est essentielle dans de nombreux domaines de la physique nucléaire. Elle permet entre autres de tester les modèles théoriques sur la cohésion du noyau, mais aussi de l’astrophysique, notamment pour comprendre la formation des noyaux des atomes au sein des étoiles. Les noyaux exotiques se révèlent être une véritable mine d’informations (propriétés nouvelles, cohésion accrue, déformations insoupçonnées,…), remettant en cause les connaissances sur le noyau atomique.

*         Pour en savoir plus sur le Ganil, consultez la chaîne vidéo dédiée.


Sonder les matériaux en produisant
un rayonnement synchrotron
En voulant étudier la matière de plus en plus profondément, on a besoin d’énergies de plus en plus élevées. Lorsque les trajectoires des particules sont courbées, celles-ci émettent de l'énergie sous forme de lumière appelée rayonnement synchrotron. C'est un phénomène parasite non voulu car l’énergie perdue l’est au détriment de celle de l’accélération. Mais les chercheurs se sont vite rendus compte que ce rayonnement est très directionnel (un peu comme un laser), très puissant, jusqu'à 10 000 fois plus brillant que la lumière solaire, avec un spectre de couleurs très riche, des rayons X jusqu'à l'infrarouge. Ce rayonnement synchrotron peut donc être utilisé comme un microscope, à la fois puissant et souple, pour sonder et analyser des matériaux aussi divers que les cristaux, les semi-conducteurs, le béton, les cellules vivantes ou les œuvres d'art.

Le synchrotron

Schéma de principe du synchrotron : Les équipements de base de SOLEIL sont l’accélérateur linéaire, le booster et l’anneau de stockage. Le rayonnement synchrotron est dirigé par des systèmes optiques vers les stations expérimentales. Chaque ligne de lumière constitue un véritable laboratoire de biologie, chimie, sciences de la Terre… © Synchrotron SOLEIL – EPSIM – Jean-François Santarelli


Les accélérateurs spécialement optimisés pour produire le rayonnement synchrotron ont donc été conçus dès les années 1960. Ils sont utilisés par une très large communauté venant de différents domaines, scientifiques (physique, chimie, biologie, etc.) ou techniques (matériaux, œuvres d'art, etc.). De ce fait, ces accélérateurs sont parmi les plus répandus dans le monde. En France, le synchrotron SOLEIL, sur le plateau de Saclay, ou encore l’ESRF à Grenoble relèvent de cette catégorie d’accélérateurs.


Production de rayonnement synchrotron-E-XFEL
Depuis peu, la communauté scientifique s'intéresse aux accélérateurs linéaires produisant des flash de lumière synchrotron ultracourts et auto-amplifiés comme E-XFEL (European X-ray Free Electron Laser) en cours de construction à Hambourg, Allemagne, qui fera 3 km de long. Ici, les trajectoires des électrons sont courbées de façon répétée sur des périodes de l'ordre du centimètre, de telle manière que la lumière émise s'auto-amplifie.


Irradier les matériaux, stériliser et guérir
Avec le développement d’accélérateurs de plus en plus performants et fiables, fournissant des faisceaux de particules avec des propriétés pratiquement à la demande, il est désormais possible de les utiliser pour irradier des cibles de toute nature.


La cible peut être une tumeur maligne à traiter (secteur médical), un aliment à stériliser (secteur sécurité alimentaire), ou encore une cible de spallation destinée à produire des neutrons (secteur recherche scientifique) comme ESS, European Spallation Source, à Lund, Suède. Pour chaque type d'utilisation, il y a donc un accélérateur ou un type d'accélérateur dédié.

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