Recherche

Explorer les constituants élémentaires de la matière, comprendre la complexité des noyaux atomiques, extrapoler nos connaissances vers les tout premiers instants de l’Univers afin de modéliser son histoire et son évolution : voici quelques-unes des principales thématiques de recherche de l’IN2P3. Les grandes infrastructures de recherche telles que les accélérateurs de particules, les observatoires et les satellites sont les outils indispensables pour sonder l’infiniment petit et l’infiniment grand, au sein de grandes collaborations internationales.

Un acteur majeur dans la recherche des deux infinis

À la pointe de la recherche en physique nucléaire, physique des particules et des astroparticules, l’IN2P3 est un acteur majeur auprès des grandes infrastructures de recherche de dimension nationale et internationale. Distingués par de nombreux prix, ses chercheurs ont participé aux plus grandes découvertes des années 2010. Les échanges permanents entre les chercheurs au sein de réseaux thématiques permettent à l’institut de mener des projets scientifiques novateurs et de grande envergure afin de répondre aux enjeux scientifiques à venir.

L’IN2P3 mène ses expérimentations dans trois grands domaines scientifiques :

  • la physique des particules, qui s’intéresse aux composants les plus élémentaires de la matière (les quarks, les leptons et les bosons) et à leurs interactions ;

  • la physique nucléaire, qui étudie la structure et la dynamique des noyaux atomiques et apporte ainsi des éléments essentiels au modèle astrophysique de formation des étoiles ainsi qu’à un grand éventail d’applications ;

  • la physique des astroparticules, qui observe l’Univers à partir des différents messagers cosmiques (photons, rayons cosmiques, neutrinos, ondes gravitationnelles) et qui établit un modèle de l’évolution de l’Univers capable de prédire des composantes encore inconnues aujourd’hui (matière et énergie noire).

Pour cela, l’institut s’appuie sur des développements dans les domaines technologiques :

  • des accélérateurs et détecteurs, instruments qui génèrent et accélèrent des faisceaux de particules ou permettent de détecter des particules de matière. Ces appareils font l’objet d’une intense recherche technologique afin d’en améliorer constamment les performances.

  • du calcul et des données, qui permettent de répondre aux besoins informatiques pour l’analyse des très grands flux de données que produisent les expériences présentes et futures, en s’adaptant à la progression ultra-rapide des performances des réseaux informatiques.

 

À la croisée de l’ensemble de ces disciplines scientifiques et techniques, l’institut mène des projets de recherche interdisciplinaires dans les domaines de l’énergie, de l’environnement et de la santé.

L’IN2P3 a participé à de grandes découvertes qui ont permis de mieux comprendre la physique des deux infinis. Parmi les plus récentes, on peut citer celle du boson de Higgs en juillet 2012, ou encore la première détection directe des ondes gravitationnelles en février 2016. Ses chercheurs ont également contribué à la découverte de l’accélération de l’expansion de l’Univers, qui peut être due à une nouvelle forme d’énergie, « l’énergie noire ». Parties prenantes de la mission spatiale Planck, ils ont aussi observé avec une précision jamais atteinte le fond diffus cosmologique. L’institut joue également un rôle important dans le développement de la recherche de matière noire grâce, en particulier, à ses installations dans le Laboratoire souterrain de Modane (Savoie). En physique des neutrinos, l’IN2P3 s’est illustré en particulier avec des expériences près de réacteurs nucléaires, dont la dernière, l’expérience Double Chooz, a contribué à la mesure du dernier paramètre des oscillations des neutrinos. Grâce à l’accélérateur Ganil (Caen), des chercheurs français ont également pu observer des indications de la production de nouveaux éléments super-lourds.

Des talents récompensés

Les équipes et le personnel de l’IN2P3 sont régulièrement distingués par des prix nationaux et internationaux : médailles du CNRS, prix de la Société française de physique, prix de l’Académie des sciences. Parmi les distinctions notables de ces dernières années figure le  « Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics », qui a récompensé en 2017 les collaborations LIGO et Virgo et en 2012 les collaborations Atlas et CMS pour la découverte du boson de Higgs.

Plusieurs grandes infrastructures sont actuellement en construction :

Large Hadron Collider (LHC)

Le Large Hadron Collider (LHC) prévoit une augmentation significative du taux de collisions produites, ce qui nécessite un important programme d’amélioration des détecteurs qui sera mis en place d’ici à 2025. Ces modifications permettront en particulier une étude beaucoup plus fine des caractéristiques du boson de Higgs.

Cherenkov Telescope Array (CTA)

Le Cherenkov Telescope Array (CTA) est un réseau de télescopes qui observent le ciel dans le domaine des rayons gamma, comme actuellement l’observatoire H.E.S.S., en Namibie. CTA prévoit une centaine de télescopes partagés entre un site nord sur les Canaries et un site sud au Chili. Les observations débuteront dès 2021.

Large Synoptic Survey Telescope (LSST)

À partir de 2022, le Large Synoptic Survey Telescope (LSST), un télescope de nouvelle génération, va entamer un relevé du ciel, le plus rapide, le plus profond et le plus vaste jamais entrepris. Ses caractéristiques techniques vont lui permettre de balayer le ciel en continu, zone après zone près de 800 fois en dix ans et ainsi caractériser les composantes sombres de l'Univers.

Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3Net)

Le Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3Net) est un projet de télescope sous-marin de neutrinos, avec un réseau de détecteurs prévu en Italie (ARCA) et un autre en France (ORCA). Le déploiement des premières lignes françaises ayant commencé en 2017, KM3NeT-ORCA devrait permettre de tirer des conclusions sur la hiérarchie en masse des trois familles de neutrinos dès 2023.

Expérience Xenon

L’institut participe à l’expérience Xenon, dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie, qui vise à découvrir des particules liées aux phénomènes de la matière noire. Le nouveau détecteur Xenon1T a déjà atteint la meilleure sensibilité de toutes les expériences dans ce domaine avec ses premières données récoltées en 2017.

Expérience Tokai to Kamioka (T2K)

En physique des neutrinos, l’expérience Tokai to Kamioka (T2K) au Japon a présenté en 2017 les premiers signes d’une asymétrie entre les neutrinos et les antineutrinos. Elle va poursuivre ses recherches avec un ambitieux programme d’améliorations. Au-delà, les trois plus importantes infrastructures à venir sont les projets Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE Fermilab, États-Unis), Hyper-Kamiokande (Japon) et Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO, Chine).

Grand accélérateur national d’ions lourds (Ganil)

Au Grand accélérateur national d’ions lourds (Ganil) à Caen), la phase 2 du projet Spiral permettra des études originales sur les états exotiques de la matière pendant la prochaine décennie.

Une organisation pour une recherche d’excellence

Structuré autour de laboratoires, de grandes infrastructures et de plateformes de recherche, l’institut s’appuie également sur des réseaux nationaux et internationaux pour animer la recherche dans ses domaines.

Les avancées de la recherche dans les domaines de l’infiniment grand et de l’infiniment petit sont au-delà de la portée d’un seul pays. Elles nécessitent la mise en commun des moyens multinationaux, tant par leur coût que par les compétences et le savoir-faire des partenaires. Ainsi les sujets abordés par l’IN2P3 nécessitent une politique d’investissement de ses moyens sur de grandes infrastructures de recherche de portée internationale. Les contributions les plus importantes sont arbitrées au niveau ministériel. Le CNRS, via ses fonds dédiés aux infrastructures de recherche (IR), contribue également à la stratégie d’investissement de l’institut.

En effet l’institut participe activement aux très grandes infrastructures de recherche (TGIR) financées directement par le ministère de l'Enseignement supérieur, de la Recherche et de l'Innovation (Mesri) et qui sont en cours d’exploitation : le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au Cern, qui a permis la découverte du boson de Higgs ; l’observatoire EGO-Virgo pour la détection des ondes gravitationnelles ; le Grand accélérateur national d’ions lourds (Ganil), qui permet de produire des états exotiques de la matière.

Dans le cadre de la mise en commun de ses ressources, et pour en renforcer la visibilité, l’IN2P3 a labellisé des « plateformes de recherche » au sein de ses laboratoires, en particulier les accélérateurs de particules. Ces plateformes offrent des ressources de haut niveau (équipements et moyens humains) pour conduire une recherche de pointe. Ouvertes à des équipes extérieures, elles permettent également des recherches interdisciplinaires dans les domaines de la santé, de l’énergie, de l’environnement, des matériaux, etc.

Les laboratoires

L'IN2P3 regroupe actuellement 20 laboratoires.

 
Sigle Intitulé

Ville

 Directeur
Code
APC

Astroparticule et cosmologie

Paris

Antoine Kouchner
UMR7164
CCIN2P3

Centre de Calcul IN2P3

 Villeurbane

Pierre-Etienne Macchi USR6402
CENBG

Centre d'études nucléaires de Bordeaux Gradignan

Bordeaux - Gradignan

Fabrice Piquemal
UMR5797
CPPM

Centre de physique des particules de Marseille

Marseille

Cristinel Diaconu
UMR7346
CSNSM

Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière

Orsay

Jean-Antoine Scarpaci
UMR8609
GANIL

Grand Accélérateur National d’Ions Lourds

Caen

Navin Alahari UPR3266
IMNC

Imagerie et modélisation en neurobiologie et cancérologie

Orsay

Philippe Lanièce
UMR8165
IP2I

Institut de physique des 2 infinis de Lyon

Villeurbanne

Anne Ealet

UMR5822
IPHC

Institut pluridisciplinaire Hubert Curien

Strasbourg

Rémi Barillon
UMR7178
IPNO

Institut de physique nucléaire d'Orsay

Orsay

Michel Guidal
UMR8608
L2IT
Laboratoire des 2 infinis de Toulouse

Toulouse

Jan Stark
FRE2037
LAL

Laboratoire de l’accélérateur linéaire

Orsay

Fabien Cavalier
UMR8607
LAPP

Laboratoire d’Annecy de physique des particules

Annecy

Giovanni Lamanna
UMR5814
LLR

Laboratoire Leprince-Ringuet

Palaiseau

Jean-Claude Brient
UMR7638
LPC

Laboratoire de physique de Clermont

Clermont-Ferrand

Dominique Pallin
UMR6533
LPCC

Laboratoire de physique corpusculaire de Caen

Caen

Gilles Ban
UMR6534
LPNHE

Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies

Paris

Marco Zito
UMR7585
LPSC

Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie

Grenoble

Arnaud Lucotte
UMR5821
LUPM

Laboratoire Univers et particules de Montpellier

Montpellier

Denis Puy
UMR5299
Subatech

Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées

Nantes

Ginés Martinez
UMR6457
 

Musée et archives de l’institut du radium Pierre et Marie Curie, Frédéric et Irène Joliot

Paris

 
UMS6425

Les plateformes

L’IN2P3 a labellisé des « plateformes de recherche » au sein de ses laboratoires, qui offrent des ressources de haut niveau (équipements et moyens humains) pour conduire une recherche de pointe.

Les groupements de recherche

Dans un soucis d’animation scientifique, l’institut met en place des structures transverses aux projets de recherche qui favorisent les échanges entre physiciens expérimentateurs et théoriciens sur des questions communes. Ainsi les groupements de recherche (GDR) favorisent la confrontation des résultats de différentes expériences aux prédictions de modèles théoriques et permettent aux physiciens de l’institut de faire émerger de nouvelles idées et initiatives.