La particule découverte cet été ressemble de plus en plus au boson de Higgs

Par Sciences et Avenir le 08.03.2013 à 10h54, mis à jour le 08.03.2013 à 10h54


La nouvelle particule découverte au CERN l'été dernier ressemble de plus en plus au boson de Higgs selon les derniers résultats présentés mercredi 6 mars en Italie par les équipes de chercheurs.

La nouvelle particule découverte au Cern l'été dernier ressemble de plus en plus au boson de Higgs, ce chaînon manquant de la physique des particules, selon les derniers résultats présentés mercredi en Italie par les équipes de chercheurs.

(C) AFP
Une analyse plus approfondie est cependant encore nécessaire avant que les physiciens puissent l'identifier définitivement comme tel, a indiqué l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) dans un communiqué.

L'identification de la fameuse particule passe par une analyse détaillée de ses propriétés et de la façon dont elle interagit avec d'autres particules. Depuis l'annonce spectaculaire de juillet dernier, beaucoup plus de données ont été analysées, et ces propriétés apparaissent de plus en plus clairement.
Les physiciens des expériences Atlas et CMS du Grand collisionneur de hadrons (LHC), à l'origine de la découverte, ont ainsi présenté leurs derniers résultats mercredi à La Thuile, dans les Alpes italiennes, lors des "Rencontres de Moriond", la première conférence de physique majeure de l'année.
La propriété clé qui permettra de dire s'il s'agit bel et bien du Higgs est appelée "spin". Le "Modèle Standard", définissant la structure fondamentale de la matière, impose que le spin du boson de Higgs soit nul.
"Toutes les analyses effectuées jusqu'à présent indiquent clairement un spin égal à zéro, mais elles ne peuvent pas encore exclure complètement la possibilité que la particule ait un spin égal à deux", a indiqué le CERN. Auquel cas il s'agirait d'autre chose que le boson de Higgs.
"Tant que nous n’aurons pas déterminé avec certitude le spin de la particule, on continuera de parler d’une particule de type Higgs", a expliqué Sergio Bertolucci, directeur de la recherche du CERN. "Nous ne pourrons la qualifier de Higgs que lorsque nous saurons qu’elle a un spin nul", a-t-il poursuivi.
Les Rencontres de Moriond ont débuté samedi et se poursuivront jusqu'au 16 mars.
Sciences et Avenir avec AFP, 8/3/13

À LIRE AUSSI. Le CERN annonce l'existence du boson de Higgs
ORGANISATION EUROPÉENNE POUR LA RECHERCHE NUCLÉAIRE (CERN)

5 réactions

*         marcantoinejeulliau 09.03.2013 à 20h13 A la pénultième question : qu'est-ce que le mouvement d'un objet dans l'espace ? la science physique peut aujourd'hui répondre par ‘'l'absolu‘', mais pour cela il lui faut accepter de parler de plusieurs expériences reproductibles par tout un chacun, expériences qui permettent de dépasser Einstein et consorts et d'intégrer les découvertes associées aux théories relativistes et quantique en en permettant une réinterprétation synthétique unificatrice. Ainsi deux photons gamma peuvent être vu comme des vagues solitaire d'éther, autrement dit comme des SOLITONS en forme d'anneaux dont les trajectoires spatiales habituellement rectilignes donnent dans l'instant formes aux particules de matière (électron) et antimatière (positon) EN SE BOUCLANT SUR ELLES-MÊMES après interactions, un peu ‘'comme les cordes‘' fermées de la fameuse théorie. Ce qui, dans le modèle standard, a été appelé une transition de phase. Dans ce paradigme synthétique et scientifique du monde physique, les forces dites fondamentales s'imposent finalement et très simplement non comme véhiculées par des particules, mais bien comme des réponses, comme des réactions physiques de l'environnement -de ce substrat spatial qui leur a donné naissance, les porte et en permet la propagation- aux ‘'présences en actes‘' des particules dites de matière. Bonne nuit.

*         marcantoinejeulliau 09.03.2013 à 16h31 suite 2 ... ... (ou hystérésis …) sillages encore décrits dans le modèle standard en employant les termes ‘'gluons‘' pour colle à quarks …
*         marcantoinejeulliau 09.03.2013 à 16h21 BonTout, suite. Cela dit -et si c'est bien le cas- alors la copie du modèle dit standard de cette physique est à revoir … et cela depuis Galilée. Il est en effet admis depuis Einstein qu'une fois émis dans un espace-temps vide de champ de force un photon de lumière suit une trajectoire dite ‘'rectiligne‘' dans l'espace dit ‘'vide‘' … Et cela, que n'a pas vu ledit père des relativités mathématiques, permet de démontrer expérimentalement -et donc d'affirmer dans l'esprit scientifique de ce temps- que le mouvement n'est pas ‘'comme rien‘' comme l'avait écrit Galilée, mais qu'il est observable dans le tout, qu'il ‘'EST ABSOLU‘', autrement dit qu'il se produit et est observable dans un espace ‘'plein‘' de quelque chose, dans un substrat éthéré … quel que soit le nom que l'on voudra bien lui donner : éther, champ de X ou autre champ emplissant tout l'espace et qui porte depuis toujours et encore tous les photons de l'Univers, des photons gamma qui peuvent –en voyant leurs trajectoires se boucler sur elles-mêmes après interaction- donner naissance aux électrons de notre matière ordinaire et aux positrons de l'antimatière. Et cela sans faire appel aux calculs ayant permis de supputer l'existence des bosons dit de Higgs. De même que les quarks peuvent être décrits comme des quanta d'énergie analogues à des photons pris dans leurs propres sillages (ou hystérésis …) s

*         corpuscule 09.03.2013 à 16h13 Le boson de Higgs est un phénomène physique certes, parfaitement justifier sur le plan théorique, mais la question reste manifestement soulevée concernant sa nature exacte au sein du modèle standard des particules élémentaires. Ce ne sont pas les expériences lourdes qui vont pouvoir l'extirper du fond de la pression exercée par la masse de notre galaxie, la solution résiderait tout simplement dans l'analyse de la fameuse dualité onde corpuscule, le boson de Higgs n'est pas une particule élémentaire proprement dite, il serait un état physique ondulatoire propre à la fonction d'onde bosonique. L'identité du boson de Higgs est d'ordre topologique pure, son spin est absorbé par sa super symétrie axiale où ses propriétés cinétiques sont en quelque sorte paralysées par son confinement à sa propre image en miroir. Ce phénomène ne peut être clarifié que par l'établissement d'un diagramme panoramique au déploiement de l'arbre généalogique de toute la gamme des ingrédients de base de la matière dans leurs versions corpusculaires, autrement dit, dans un système matriciel, multidimensionnel, complet au sens mathématique large du terme. EDDAAL.A

*         marcantoinejeulliau 09.03.2013 à 11h49 BonTout , En s'alliant à la philosophie et à l'art pour devenir la première ‘'trilogie‘' des SCIENCES, et comme jamais à la mathématique pour virtuellement aboutir à la quadrature du cercle*, LA PHYSIQUE en cette méthode tend de plus en plus à confirmer que tout ce qui existe (espace, temps, énergie, forces, matière, information, langages, langues … etc.) est MANIFESTATIONS d'un substratum quantifiable et unique emplissant tout l'espace-temps. Substrat du genre traditionnel éther devenu nouveau champ de Higgs et dont l'EXPRESSION au moment dit du bigbang n'a fait qu'EVOLUER de la simplissime et ‘'réelle‘' forme en ‘'?‘' d'un SOLITON Champs-Ondulatoire-Quantum-Information vers la vie et la pensée organisées lors d'interactions complexifiantes. (CQFD…) * : ‘'C ‘' étant la vitesse de la lumière, ‘'n?‘' le nombre de Loschmidt nous trouvons : C? = n? … ! ? A suivre …

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Les matériaux

Depuis l’âge de pierre, les matériaux font partie du quotidien et de l’histoire de l’Homme. Au fil du temps, ils sont devenus plus résistants, plus intelligents pour conférer aux objets qui nous entourent de nouvelles fonctionnalités. Découvrez les grandes familles de matériaux, la démarche scientifique associée à la conception d’un nouveau matériau et les enjeux des matériaux dans les domaines de l’environnement, de l’énergie, de la santé et des technologies de l’information et de la communication.

QU’EST-CE QU’UN MATÉRIAU ?

Un matériau est une matière d’origine naturelle ou artificielle que l’Homme utilise et/ou conçoit pour fabriquer des objets, construire des bâtiments ou des machines.
*         Les matériaux sont différenciés selon leur provenance (issus d’êtres vivants par exemple) et leurs propriétés, qu’elles soient mécaniques (flexibilité ou rigidité…), chimiques (perméabilité ou imperméabilité à l’eau…) ou encore physiques (conductivité de l’électricité ou de la chaleur…). 
Ils sont généralement classés en différentes grandes familles :
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    *         Les matériaux métalliques qui regroupent les métaux : fer, cuivre, bronze et les alliages métalliques : acier inoxydable
    *         Les matériaux organiques qui sont issus d’êtres vivants, plantes ou animaux (bois, coton, papier…)
    *         Les matériaux minéraux ou inorganiques : roche, céramique, verre.
    *         Les matériaux plastiques, qui, en général proviennent de combustibles dits fossiles se trouvant dans le sol, comme le pétrole par exemple.
    *         Les matériaux composites qui combinent plusieurs matériaux de famille différente pour obtenir de multiples propriétés (exemple : fibre de carbone).
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Les matériaux composent tous les objets qui nous entourent. Le choix des matériaux qui constituent un objet dépend des besoins et propriétés voulues pour l’objet.  La combinaison de certains matériaux permet de combiner plusieurs propriétés. Ainsi, le béton armé, constitué de béton et d’acier, permet de réaliser des constructions qui pourront supporter d’importantes charges (caractéristique du béton) mais aussi des efforts de traction (caractéristique de l’acier).
Notions clés
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    *         Il existe différentes familles de matériaux : métalliques, organiques, minéraux, plastiques et composites.
    *         La conception de nouveaux matériaux répond à différents enjeux. En santé, ils sont utilisés pour suivre, diagnostiquer ou soigner les patients. Dans le domaine de l'énergie, ils permettent de récupérer, stocker et générer plus d’énergie. Dans le domaine des technologies de l’information, ils permettent une meilleure communication des objets entre eux.
    *         Enfin, les matériaux s’inscrivent dans une démarche de développement durable en prenant en compte, dès leur conception, leur recyclage mais aussi en économisant de la matière et de l’énergie.   

    

L’HOMME CRÉATEUR DE MATÉRIAUX DEPUIS L’ÂGE DE PIERRE


Depuis toujours, les matériaux ont joué un rôle clé dans la société humaine. Dès l’âge de pierre, l’Homme taille le silex pour créer ses premiers outils. Lorsque le cuivre et le bronze sont découverts, de nouveaux usages naissent et viennent changer les modes de vie. Au fur et à mesure des découvertes et conception de nouveaux matériaux, l’Homme fait évoluer ses outils, ses constructions, ses modes de vie, et ses besoins.  

       

                                                                                                   
COMMENT SE CONÇOIVENT LES MATÉRIAUX ? 

  
Du laboratoire à l’industrie
La recherche et le développement dans le domaine des nouveaux matériaux sont importants car ils conditionnent en grande partie les avancées scientifiques et les innovations technologiques de demain. Les matériaux sont souvent la clé de l’essor d’une technologie. Par exemple, la démocratisation des téléphones et ordinateurs portables a été permise en partie grâce aux efforts de recherche et développement menés sur les matériaux des batteries de recharge de ces appareils.         

        Pour concevoir un nouveau matériau, les ingénieurs et chercheurs vont d’abord commencer à dresser le « portrait-robot » type du matériau à partir de l'analyse des besoins et des attentes des industriels et consommateurs finaux. Ils conçoivent ainsi un cahier des charges avec les propriétés voulues pour le matériau : ce dernier doit-il être résistant ? Doit-il supporter des hautes températures ? Doit-il conduire l’électricité ?... Outre les propriétés recherchées pour le matériau, les scientifiques doivent considérer d’autres facteurs tels que le budget de conception et de réalisation du matériau, les matières premières à utiliser et leur disponibilité, l’impact de la fabrication du matériau sur l’environnement et penser au devenir du matériau en fin de vie.
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Après avoir défini le cahier des charges, les scientifiques vont chercher à réaliser le matériau par différentes voies (procédés de synthèse chimique, procédés de cuisson, procédé de fabrication additive…). Cette démarche nécessite au préalable un travail théorique d’analyse des connaissances scientifiques et techniques actuelles, complété par des modélisations et simulations numériques du matériau. Ces modèles numériques, réalisés à l’aide d’ordinateurs ou de supercalculateurs, permettent de prévoir en amont les propriétés et le comportement sur le long terme du matériau. Durant les différentes phases de conception et de réalisation du matériau, des expériences de caractérisation physique et chimique sont effectuées pour vérifier l’adéquation entre la théorie, les modèles prédits numériquement et la réalité physique. 
Enfin, lorsque le matériau est fabriqué à l’échelle du laboratoire, il reste encore quelques étapes avant une mise en œuvre industrielle. Celle-ci doit en effet  intégrer de nouvelles contraintes liées à une fabrication en série tout en conservant les performances du matériau.

        
fabrication additive Zoom sur... La fabrication additive : des matériaux imprimés en 3D
La fabrication additive consiste à créer un objet couche par couche, à partir d’un modèle réalisé par ordinateur. Elle s’oppose aux méthodes traditionnelles, dites « soustractives », qui permettent de façonner une pièce dans un bloc de matière.
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*         Pourquoi la fabrication additive suscite-t-elle autant d’intérêt ? Le premier avantage de ce mode de fabrication, à partir d’imprimantes 3D, est la liberté de conception géométrique. A cet avantage, s’ajoute celui des propriétés physico-chimiques. Les pièces étant conçues couche par couche, il est possible d’attribuer à l’une d’elle certaines propriétés et d’autres à sa voisine. Enfin, les technologies d’impression 3D pourraient permettre, en théorie, d’économiser les ressources en matières premières, dans la mesure où elles évitent la génération de chutes de matériaux, inévitables lorsqu’une pièce est usinée de façon soustractive à partir d’un plus gros bloc.
    *         Pour aller plus loin sur le sujet de la fabrication additive, lire le décryptage "Comment la fabrication additive peut-elle accompagner nos grandes transitions ?"
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*         LES ENJEUX DES NOUVEAUX MATÉRIAUX                         
Fabriquer des matériaux plus respectueux de l’environnement et recycler les matériaux 
L’enjeu commun à toutes les recherches actuelles menées sur les matériaux est le développement durable. L’objectif est d’intégrer, dès le départ, dans les étapes de fabrication du matériau une optimisation de l’efficacité et du coût énergétique des procédés, une économie et un recyclage des matières premières, une réduction des déchets ultimes et de l’impact sur la santé de l’Homme et sur l’environnement. L’objectif est également de créer des matériaux recyclables voire, dans certains cas, biodégradables.
Cet enjeu est représenté par la stratégie des  « 3 R » :
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    *         Réduire, dès la production, la quantité de ressources susceptibles de finir en déchets (par exemple, limiter les emballages…).
    *         Réutiliser les produits usagés constitués de matériaux pour leur donner une deuxième vie. (Par exemple, collecte des téléphones portables qui sont ensuite reconditionnés et revendus).
    *         Recycler les matériaux en mettant en œuvre une filière de retraitement avec un tri sélectif des matériaux afin de les transformer en nouvelles matières premières qui pourront être réutilisées pour fabriquer de nouveaux matériaux.

*         Le saviez-vous ? 
En plus d’être respectueux de l’environnement, certains matériaux ont été créés pour dépolluer l’environnement. Ainsi, certains matériaux disposant de membranes poreuses permettent la dépollution des eaux.


La chimie verte, inspirée du concept de développement durable, peut aider à concevoir des matériaux plus facilement recyclables. Ainsi, les scientifiques cherchent désormais à limiter la production de matériaux issus du pétrole, en utilisant des matériaux biosourcés, à partir d’autres matières premières que des hydrocarbures, tout en conservant les propriétés des plastiques. Par exemple, des plastiques, produits à partir de molécules issues de l’huile de ricin ou encore de déchets viticoles, composent des parechocs. 

Les enjeux des matériaux pour la santé
En matière de santé, les nouveaux matériaux peuvent être utilisés sous forme de pansements ou de textiles chirurgicaux. Ils peuvent également avoir pour finalité d’être utilisés à l’intérieur du corps. Dans ce cas, ils doivent être tolérés par l’organisme mais aussi résister sur le long terme à un milieu chimiquement évolutif.
Ces matériaux supportés par l’organisme sont appelés les biomatériaux. L’enjeu principal de la recherche pour ces matériaux est d’obtenir une bonne adaptation de l’organisme à l’introduction du biomatériau (implant, prothèse, …) et une réponse appropriée en vue des fonctions déficientes à restaurer. Par exemple, des matériaux à mémoire de forme peuvent être utilisés (matériaux qui ont la capacité de mémoriser une forme initiale même après une déformation) pour la composition des stents, appareils médicaux qui permettent d’éviter aux artères de se boucher à cause des caillots de sang.
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Les enjeux des matériaux pour l’énergie
Au cœur du processus d’innovation des systèmes énergétiques, les matériaux du futur devront répondre à des spécifications toujours plus exigeantes en termes de sûreté, d’économie d’élaboration, de résistance, de durabilité, d’impact environnemental et de capacité de recyclage.

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Module photovoltaïque avant/après délamination par CO2 supercritique. Ce procédé permet de séparer les différentes couches de matériau en vue de leur recyclage. La photographie illustre le gonflement des phases polymères après moussage en CO2 supercritique. © Y. Caudic / CEA

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Dans le domaine du nucléaire où les installations sont conçues pour du très long terme (plusieurs dizaines d’années d’exploitation), certains composants tels que la cuve du réacteur ne peuvent pas être remplacés. Il s’avère donc nécessaire de développer une science prédictive du comportement des matériaux sur des temps longs.
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Concernant les matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l’énergie, plusieurs axes d’amélioration sont explorés. Les matériaux de demain pour le photovoltaïque devront entre autres permettre d’augmenter le rendement des cellules photovoltaïques tout en abaissant leur coût.
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Les enjeux des matériaux pour les nouvelles technologies de l’information et de la communication
Les nouvelles technologies de l’information et de la communication (NTIC) se développent rapidement depuis la fin des années 90. Toujours plus petits, performants et intelligents, les composants de ces technologies nécessitent des nouveaux matériaux aux propriétés multiples et complémentaires.
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L’enjeu est de miniaturiser les dispositifs tout en augmentant leurs performances et en multipliant les fonctions. Les structures complexes sont généralement réalisées à partir de motifs à l’échelle du nanomètre (1 nanomètre est égal à un milliardième de mètre, 1 000 fois plus fin qu’un cheveu) qui permettent d’associer des matériaux de nature différente pour allier leurs propriétés physiques. 

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Ces nouvelles avancées permettent aussi la création de matériaux comme des textiles connectés pour surveiller en temps réel les performances sportives ou bien des textiles intelligents qui peuvent transmettre des données et réagir en fonction des informations reçues. Par exemple, certains textiles réagissent à l’absence de lumière et s’illuminent.

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L'HOMME ET LES RAYONNEMENTS

La radioprotection

Pour protéger la population et les travailleurs, des mesures ont été fixées à l’échelle internationale et nationale.

Publié le 1 juillet 2014

LES RÈGLES DE RADIOPROTECTION
La radioprotection est un ensemble de mesures destinées à assurer la protection sanitaire de la population et des travailleurs.

Trois règles de protection contre toutes les sources de rayonnements sont :
*         s’éloigner de la source de rayonnements, car leur intensité diminue avec la distance ;
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*         mettre un ou plusieurs écrans entre la source de rayonnements et les personnes (par exemple, dans les industries nucléaires, de multiples écrans protègent les travailleurs. Ce sont des murs de béton, des parois en plomb et des verres spéciaux chargés en plomb) ;
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*         diminuer au maximum la durée de l’exposition aux rayonnements.


Ces mesures de radioprotection peuvent être comparées à celles que l’on prend contre les ultraviolets : utilisation d’une crème solaire qui agit comme un écran et limitation de l’exposition au Soleil.

Le “dosimètre” permet de mesurer la quantité de rayonnements auquel le travailleur est soumis.
© CEA/A. Gonin


Pour les sources radioactives émettant des rayonnements, deux autres recommandations sont à ajouter aux précédentes :

*         attendre, quand cela est possible, la décroissance naturelle radioactive des éléments ;
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*         utiliser la dilution lorsque l’on a affaire à des gaz radioactifs.

Par exemple, les installations nucléaires ne sont pas démantelées aussitôt après leur arrêt, de façon à attendre une diminution de l’activité des zones. Dans les mines d’uranium souterraines, une ventilation très efficace permet de maintenir une faible concentration de radon dans l’air que respirent les mineurs.

Les travailleurs pouvant être soumis à des rayonnements ionisants lors de leur activité (industries nucléaires, médecins, radiologues…) portent dosimètres, gants, ceintures, bague qui mesurent la quantité de rayonnements auxquels ils ont été soumis. Ces dispositifs permettent de s’assurer que la personne n’a pas reçu une dose supérieure à la norme tolérée ou d’en mesurer la localisation et l’importance.

Plusieurs commissions indépendantes ont amené les autorités à fixer des normes réglementaires pour les limites de doses.

LES NORMES INTERNATIONALES DE RADIOPROTECTION
La prise de conscience du danger potentiel d’une exposition excessive aux rayonnements ionisants a amené les autorités à fixer des normes réglementaires pour les limites de doses. Ces limites correspondent à un risque supplémentaire minime par rapport au risque naturel, qui le rend donc acceptable.
*         Depuis 1928, la Commission internationale de protection radiologique (CIPR) rassemble des médecins, physiciens, biologistes… de tous pays. Cette autorité scientifique indépendante émet des avis précieux en matière de radioprotection, pour les réglementations propres à chaque État.
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*         L’UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) réunit des scientifiques représentant 27 nations. Il a été créé en 1955 au sein de l’ONU pour rassembler le maximum de données sur les niveaux d’exposition dus aux diverses sources de rayonnements ionisants et leurs conséquences biologiques, sanitaires et environnementales. Il établit un bilan régulier de ces données, mais également une évaluation des effets en étudiant les résultats expérimentaux, l’estimation des doses, les données humaines.
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*         Au niveau européen, l’Union européenne reprend ces avis dans ses propres normes ou directives.

Les normes légales de radioprotection donnent :
*         une limite de dose efficace de 1 mSv/an pour la population et de 20 mSv/an en moyenne sur 5 ans pour les personnes directement affectées aux travaux sous rayonnements ionisants (industrie nucléaire, radiologie médicale) ;
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*         une limite de dose équivalente (organe) de 150 mSv pour le cristallin (œil) et 500 mSv pour la peau et les mains.

Le législateur divise par 20 les doses admissibles des travailleurs pour la population car il considère que celle-ci comporte des sujets de tous âges, de tous états de santé et qui ne sont pas si bien suivis médicalement…


AU NIVEAU NATIONAL
En France, c’est l’Autorité de sûreté nucléaire (ASN), autorité administrative indépendante, créée en 2006, qui a en charge le contrôle de la sûreté et de la radioprotection. L’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), appui technique de l’ASN, est placé sous la tutelle conjointe des ministres chargés de la Défense, de l’Environnement, de l’Industrie, de la Recherche et de la Santé. Il a été créé en février 2002 par la réunion de l’Institut de protection et de sûreté nucléaire (IPSN) et de l’Office de protection contre les rayonnements ionisants (OPRI).
L’IRSN réalise des recherches, des expertises et des travaux dans les domaines de la sûreté nucléaire, de la protection contre les rayonnements ionisants, du contrôle et de la protection des matières nucléaires, et de la protection contre les actes de malveillance.

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La supraconductivité et ses applications

Publié le 7 septembre 2016

Découvert en 1911, le phénomène de supraconductivité continue de fasciner et trouve aujourd’hui de nombreuses applications dans les domaines de la santé, de l’énergie, des transports, des instruments de recherche pour l’analyse chimique et structurale (analyse RMN) ou encore des grands accélérateurs pour étudier les particules élémentaires.
QU’EST-CE QUE LA SUPRACONDUCTIVITÉ ?

À l’état supraconducteur, un matériau refroidi à très basse température acquiert la capacité de conduire parfaitement un courant électrique, sans résistance, et donc sans perte d’énergie. De même, à l’état supraconducteur, les matériaux possèdent la propriété d’expulser totalement le champ magnétique qui les entoure, ce qui peut se manifester par des effets spectaculaires de lévitation magnétique.


Le phénomène de supraconductivité a été découvert en 1911 par le physicien Heike Kammerlingh Onnes. Traduit par des propriétés électriques, magnétiques et quantiques spécifiques, il apparaît lorsque l’on refroidit certains métaux ou alliages à très basses températures, proches du zéro absolu, 0 kelvin soit - 273,15 °C. Appelée température critique (Tc), la température à laquelle le matériau devient supraconducteur dépend de la composition chimique de celui-ci. Pour la plupart des matériaux, dits supraconducteurs conventionnels, elle se situe entre 1 et 33 kelvins (soit entre - 272 et – 240°C), ce qui nécessite un refroidissement à l’hélium liquide, voire au-delà.

Depuis 1986, des oxydes de cuivre ou cuprates, appelés supraconducteurs à haute température critique (haut-Tc) ou supraconducteurs non conventionnels, peuvent être refroidis à l’azote liquide (à 77 K soit - 196°C). Dans les conditions usuelles, ce sont les cuprates de mercure qui détiennent actuellement le record de température critique : 135 K (- 138°C). En 2008, des scientifiques ont réussi à synthétiser une nouvelle famille de supraconducteurs à haute température critique : les pnictures (Tc = 55K, soit - 218°C). Possédant des propriétés différentes des cuprates, ces matériaux suscitent également beaucoup d’intérêt depuis leur découverte. Enfin, sous très haute pression (1,5 mégabar, soit la moitié de la pression au centre de la Terre), le sulfure d'hydrogène (H2S) devient supraconducteur en dessous de la nouvelle température de -70° C.

QUELLE EST L’ORIGINE DE LA SUPRACONDUCTIVITÉ ?
La supraconductivité est un phénomène quantique collectif. C’est une des manifestations possibles, et perceptible à notre échelle, du comportement quantique de la matière.
Dans les matériaux supraconducteurs classiques, les électrons se regroupent par paires (dites paires de Cooper), en interagissant avec les atomes présents autour d’eux. Ils forment alors une vague collective. Cette vague électronique se propage comme une onde, sans subir de collision avec les défauts présents dans la matière, ce qui permet de conduire du courant électrique sans perte d’énergie. Ce phénomène ne peut se produire qu’à basse température lorsque les atomes du matériau ne vibrent pas trop (sinon les paires d'électrons se scindent et la résistance électrique du matériau réapparait).

EXEMPLES D’APPLICATIONS
DE LA SUPRACONDUCTIVITÉ

La compréhension et la maîtrise des principes de la supraconductivité est à l’origine de nombreuses applications. L'absence de résistance du matériau supraconducteur d'une bobine électrique permet en particulier de générer des champs magnétiques très intenses (plusieurs teslas). L’IRM, qui a révolutionné le diagnostic médical et la compréhension du cerveau, nécessite des champs magnétiques intenses qui peuvent être obtenus grâce à la maîtrise de ce phénomène ; les transports, les télécommunications, l’électronique, l’informatique,… peuvent également exploiter ses propriétés. En outre, sans supraconducteurs, les très grands instruments de recherche tels que l’accélérateur de particules LHC aujourd’hui, ou Iter demain, ne pourraient voir le jour.

Imagerie médicale

S’il est un domaine dans lequel la supraconductivité a joué un rôle essentiel, c’est celui de l’imagerie médicale. La technologie de l’IRM, outil de diagnostic et de recherche désormais incontournable, est en effet une retombée directe des recherches menées sur le sujet. Spécifiquement, la base d’une IRM est de créer un champ magnétique très fort et homogène sur un volume suffisant afin qu'une proportion significative des protons de l’eau du corps du sujet (quelques protons par million) ait un "axe de rotation sur eux-mêmes" aligné. Cette première difficulté technologique, est résolue avec la supraconductivité, qui permet de disposer de champs magnétiques intenses, stables et uniformes.
Outre l’IRM haut champ, la supraconductivité intervient dans la fabrication des capteurs magnétiques qui sont à la base d’autres techniques d’imagerie médicale : l’IRM bas champ (où, au lieu de renforcer la polarisation par un champ magnétique très intense, on utilise un capteur très sensible), la magnétoencéphalographie (MEG) et la magnétocardiographie (MCG).

Les très grands instruments de recherche
La supraconductivité joue aujourd’hui un rôle prépondérant dans la conception et la réalisation des très grands instruments dédiés à l’exploration de la matière. Employée dans les accélérateurs de particules pour développer les électroaimants supraconducteurs qui dévient et focalisent les faisceaux, elle intervient également dans le domaine des cavités radiofréquence (RF) qui génèrent le champ électrique qui accélère les particules chargées au centre du faisceau.
L’emploi de matériaux supraconducteurs a un triple avantage :  
*         l’absence de résistivité des supraconducteurs, qui évite toute dissipation d’énergie, permet de gagner en puissance sans augmenter la consommation de l’installation ;
*         grâce à l’annulation de l’effet joule (échauffement dû à la résistivité du matériau), il devient possible de faire passer de grandes densités de courant dans des bobinages très compacts. La densité alliée à la compacité permettent d’obtenir des champs magnétiques beaucoup plus élevés ;
*         la supraconductivité permet de générer des champs magnétiques très puissants, pouvant atteindre jusqu’à 20 teslas.

Fusion nucléaire
La supraconductivité trouve également des applications dans le domaine de la fusion nucléaire. L’une des pistes étudiées pour tenter de reproduire sur Terre l’énergie des étoiles repose sur la conception d’une machine appelée sous son acronyme russe « Tokamak ».
En forme d'anneau (ou « tore »), les particules qui y sont injectées subissent des champs magnétiques si intenses qu’elles restent fortement confinées dans la partie centrale de l’anneau, sans contact avec les parois et peuvent ainsi provoquer des réactions de fusion. Pour produire de tels champs, on utilise des bobines réalisées à partir de matériaux supraconducteurs.

OÙ EN EST LA RECHERCHE SUR LA SUPRACONDUCTIVITÉ ?
Si les mécanismes à l’origine de la supraconductivité dans la majorité des matériaux, dits supraconducteurs conventionnels, sont élucidés depuis longtemps et bien compris, ce n’est pas le cas des supraconducteurs à haute température critique (cuprates et pnictures). Il s’agit d’un des principaux sujets de recherche actifs dans le domaine de la supraconductivité qui oblige les physiciens à élaborer de nouveaux matériaux et à inventer différentes façons de mesurer leurs propriétés ainsi que de nouveaux concepts pour les décrire.
En synthétisant de nouveaux échantillons supraconducteurs et en analysant leurs propriétés, les chercheurs espèrent percer les derniers mystères de la supraconductivité afin d’arriver à l’obtention du même phénomène à plus haute température et peut-être un jour découvrir une supraconductivité encore plus proche de la température ambiante, ce qui ouvrirait de nouveaux champs d’applications.

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