Quel est l’impact du boson de Higgs sur notre quotidien ?


Le boson de Higgs a un impact, et un impact continu, sur notre quotidien, par des voies que vous ne soupçonnez peut-être pas. (Image :  niallkennedy, CC BY-NC 2.0)
Il peut sembler à première vue que le boson de Higgs n'a aucune incidence sur notre vie quotidienne. Pas directement, en tout cas : c’est une particule à courte durée de vie, elle n’est pas l’un des constituants de la matière dont nous sommes faits et qui nous entoure, et elle ne peut être observée que dans les conditions extrêmes créées dans les accélérateurs de particules.
Pourtant, elle est importante, parce qu’elle nous permet de mieux comprendre le monde, et aussi, parce que les recherches liées à sa découverte ont eu, et continueront d'avoir, des retombées positives sur la société.

La nature de la science
La curiosité est dans notre nature. Et notamment, la curiosité envers notre Univers : nous nous demandons comment il a évolué pour devenir ce qu'il est aujourd'hui. L'objectif de la physique fondamentale est de trouver des réponses à ces questions.
Le boson de Higgs est une partie de la réponse à la question : pourquoi avons-nous une masse, comme toute la matière qui nous entoure ? Le boson de Higgs est le pivot du Modèle standard. À l'instar d'une pièce de puzzle, il éveille notre curiosité tout en créant une image plus précise de l'Univers qui nous entoure.

Il est dans la nature humaine de faire preuve de curiosité à l’égard de notre Univers et de la façon dont il a évolué. (Image : NASA et Agence spatiale européenne)
Depuis les débuts de l'humanité, c’est la curiosité qui fait avancer la science. Chaque nouvelle découverte s'est appuyée sur ce que l'on savait auparavant, ce qui a permis de faire progresser continuellement notre compréhension de l'Univers.
L'application de ces connaissances scientifiques à différents domaines a révolutionné notre quotidien. Par exemple, quand, en 1897, J.J. Thomson découvre l'électron, la première particule fondamentale découverte de façon expérimentale. Dans un monde dominé par la technologie, il est difficile d'imaginer la vie sans la possibilité d'agir sur les électrons. Chaque jour, nous utilisons l'électronique dans des domaines aussi variés que l'industrie, la communication, le divertissement, les transports ou encore la médecine, et pour toutes sortes d’activités. Bien sûr, lors de sa découverte, Thomson ne savait pas à quel point l'électron allait révolutionner la société. Plus d'un siècle plus tard, le monde a bien changé.
En raison de la nature de la science, nous ne savons pas à quel point les découvertes faites aujourd'hui transformeront notre avenir. En d'autres termes, ce n'est peut-être qu'une question de temps avant que le boson de Higgs ait un impact direct sur la société.

Avantages des nouvelles technologies pour la société

La recherche du boson de Higgs à l'aide du Grand collisionneur de hadrons (LHC) a repoussé les limites de la technologie. Il a fallu des énergies extrêmement élevées pour accélérer les particules à une vitesse proche de celle de la lumière, une précision sans précédent pour détecter avec exactitude les collisions de ces faisceaux de particules, et une technologie informatique sans égale pour cartographier et enregistrer les millions de collisions de particules produites par seconde.
On peut dire que le boson de Higgs a indirectement affecté notre quotidien, puisque bon nombre des technologies développées pour le découvrir sont maintenant utilisées dans le monde entier, dans des domaines qui vont bien au-delà de la physique des particules.

Par exemple, l'invention du World Wide Web au CERN est née du besoin des physiciens des particules d'échanger des données entre instituts. Aujourd'hui, la société dépend chaque jour du World Wide Web pour communiquer et travailler. De même, au début des années 1970, des ingénieurs du CERN ont contribué au progrès de la technologie des écrans tactiles en essayant de créer une interface simple à utiliser avec l'un des accélérateurs de particules du CERN. Depuis, les écrans tactiles sont devenus un élément essentiel de la vie de tous les jours.

La technologie des accélérateurs utilisée pour la recherche du boson de Higgs est également utilisée pour traiter le cancer, dans le cadre de l'hadronthérapie et de la radiothérapie par électrons. (Image : CNAO)
Le domaine médical aussi a bénéficié de la recherche en physique des particules. En effet, la technologie des accélérateurs est utilisée dans le traitement du cancer, par exemple pour l’hadronthérapie et la radiothérapie par électrons. En outre, les détecteurs de particules sont employés pour les diagnostics médicaux, par exemple à l’aide du scanner couleur 3D à rayons X, reposant sur une technologie développée au CERN. Les accélérateurs de particules ont également permis le développement de la tomographie par émission de positons (TEP), qui est essentielle pour l'imagerie et le diagnostic des maladies du cerveau et du cœur.
Les technologies des détecteurs ont aussi contribué à faire progresser le secteur aérospatial, et même les techniques utilisées au-delà de notre planète. Les environnements extrêmes de l'espace sont très comparables à ceux que l'on trouve dans les expériences souterraines de physique des particules. Ainsi, des technologies telles que celles utilisées pour la surveillance des rayonnements peuvent être appliquées dans l'espace pour protéger les équipements et assurer la sécurité des astronautes.

La technologie des détecteurs qui a permis de découvrir le boson de Higgs a également fait progresser le secteur aérospatial, en améliorant la recherche sur les environnements extrêmes. (Image : IGLUNA)
L'infrastructure informatique du CERN est également utilisée pour protéger notre planète, par exemple pour la surveillance de la pollution atmosphérique. Par ailleurs, le CERN s'est engagé à utiliser ses technologies et son savoir-faire pour œuvrer en faveur d'un avenir plus durable.
Au-delà de la science et de la technologie, les détecteurs de particules servent même à protéger notre patrimoine culturel ; ils ont notamment permis de révéler une œuvre d'art longtemps perdue du grand peintre de la Renaissance, Raphaël.
Et il existe bien d'autres applications encore : même si l'objectif premier des accélérateurs de particules tels que le LHC est de rechercher des particules comme le boson de Higgs, les travaux menés aboutissent souvent à de nouvelles technologies. Toutes ces technologies, dans différents domaines, sont des contributions précieuses pour la société. Ce mouvement ne fera que se développer au fur et à mesure des progrès de la recherche.

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Les propriétés des lasers


Pour remplir leur mission, les lasers changent de couleur, de puissance, émettent en continu ou par impulsions…

Publié le 30 juin 2015


LA COULEUR D'UN LASER
Elle est définie par le choix du milieu laser. Il existe des lasers de toutes les couleurs : rouge, bleu, vert… Certains d’entre eux sont même constitués de lumière invisible comme les ondes infrarouges ou ultraviolettes. Ces multiples couleurs font la beauté de nombreux spectacles son et lumière. La plupart des lasers ne peuvent émettre que sur une seule longueur d’onde. L’utilisation de cristaux possédant des propriétés optiques non linéaires permet de convertir la longueur d’onde d’un laser pour obtenir des faisceaux de longueur d’onde doublée ou triplée. Il existe de plus des lasers dont on peut faire varier continument la longueur d’onde sur une certaine plage. On dit qu’ils sont accordables. Leur milieu laser a longtemps été un liquide contenant des molécules de colorant qui, une fois excitées, ont la particularité d’émettre sur un grand intervalle de longueurs d’onde. Maintenant, ils tendent à être remplacés par les oscillateurs paramétriques optiques (OPO) et les diodes laser accordables, présentant l’avantage d’éviter l’utilisation de solvants. Les diodes laser sont les sources les plus couramment utilisées actuellement. Leur rendement énergétique élevé et leur fabrication peu coûteuse ont permis leur industrialisation massive.


Réglage d’un laser à solide pompé par diodes de forte puissance, utilisé pour générer la lumière extrême UV (13,4 nm) pour des applications de photolithographie. © P.Stroppa /CEA


 
Mise en place de composants optiques d’un laser sur la Plate-forme Laser Femtoseconde Accordable (PLFA). © PF.Grosjean/CEA


 
Inspection d’un miroir en verre servant au transport des faisceaux lasers du laser Mégajoule (LMJ), et analyse des impacts ou défauts constatés.
© H.Raguet/Science&Avenir/CEA
LA PUISSANCE D'UN LASER
La puissance se définit classiquement comme la quantité d’énergie émise par unité de temps. Un laser délivrant un joule pendant une seconde aura une puissance d’un watt. Dans le cas des lasers continus, l’étendue des puissances de sortie va classiquement de 1 mW pour des petites diodes laser, à 50 kW pour les lasers de soudage.
Dans le cas de lasers impulsionnels, il faut distinguer :
*         la puissance moyenne délivrée, qui tient compte des intervalles de temps entre chaque impulsion,
*         la puissance de crête, qui est la puissance atteinte lors d’une l’impulsion.

Ainsi, un laser d’un watt délivrant sa lumière de façon continue aura une  puissance d’un watt ; mais s’il concentre une énergie d’un joule en une décharge lumineuse d’une milliseconde, sa puissance de crête va être multipliée par mille et atteindra un kilowatt.
En délivrant leur énergie sur des temps très courts (nanoseconde voire picoseconde ou même femtoseconde), certains lasers d’étude peuvent atteindre des puissances de crête extrêmement élevées (jusqu’à 10 petawatts).
Plus modeste, un laser industriel dédié au soudage, de puissance moyenne de 1 kW, dispose d’une puissance de crête de 25 kW.

L’INTENSITÉ D'UN LASER
L’intensité, c’est la puissance par unité de surface, qui s’exprime en nombre de watts par centimètre carré (W/cm2). Par exemple, l’intensité du Soleil peut atteindre 0,1 W/cm2. En focalisant cette lumière avec une loupe, celle-ci est portée à 100 W/cm2, ce qui suffit pour enflammer une feuille de papier. Le diamètre des faisceaux de lumière émis par les lasers (plusieurs dizaines de mm pour les lasers industriels) est souvent trop grand et leur intensité trop faible pour une utilisation directe efficace. Il faut focaliser les faisceaux pour augmenter leur intensité. Dans certains lasers, la focalisation est obtenue par des systèmes optiques à lentilles. D’autres utilisent des dispositifs à miroirs, plus rarement des montages à réseau de diffraction focalisant.
Un laser de 20 W focalisé sur quelques micromètres produit une intensité de l’ordre du milliard de W/cm2. Avec un laser impulsionnel de quelques mJ, on atteint très facilement les centaines de milliards de W/cm2. La focalisation est alors obtenue par des systèmes optiques plus ou moins complexes, constitués de lentilles et de miroirs, qui sont adaptés aux longueurs d’onde et aux fortes énergies utilisées. La focalisation est, par exemple, indispensable pour les opérations industrielles de perçage, soudage et découpage. Elle est aussi utile pour les lasers de puissance utilisés par les chercheurs pour étudier l’interaction lumière-matière.

LA COHÉRENCE D'UN LASER
La cohérence du laser regroupe les propriétés d’uni-directionnalité et de monophasage. C’est elle qui permet à la lumière laser de pouvoir être fortement concentrée, dans le temps et dans l’espace ; elle est souvent à la base des applications des lasers. Cette propriété va permettre le transfert et le transport d’informations comme pour la lecture des disques optiques ou les liaisons Internet, par faisceaux laser dans des fibres optiques. Les ondes lumineuses qui composent la lumière laser se propagent toutes dans la même direction, de manière parfaitement rectiligne.
Un faisceau laser est très peu divergent, ce qui le rend visible sur de grandes distances. Cette propriété est utilisée pour l’alignement des tracés de routes et de tunnels comme, par exemple, lors de la construction du tunnel sous la Manche ou de la tour Montparnasse. Les lasers servent aussi dans la télémétrie, c’est-à-dire la mesure de distances. Le faisceau laser atteint une cible, qui en renvoie une partie en sens inverse. La vitesse de la lumière étant connue, il est possible, en mesurant le temps mis par le faisceau laser pour faire l’aller-retour, de connaître la distance séparant la source laser d’un obstacle. Cette méthode a permis le calcul précis de la distance Terre-Lune. La diffusion par les poussières et les aérosols de l’atmosphère rend visible ce rayon lumineux jusque loin dans l’espace et en fait l’outil des spectacles laser.

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Tout s'explique : que contiennent nos smartphones ?


Toujours plus de performances et de possibilités ? Les métaux sont au cœur des dispositifs numériques, à commencer par les incontournables smartphones. L'ajout de fonctionnalités augmente le nombre de composants et de métaux. Certains d'entre eux sont considérés comme critiques. Explications.

PUBLIÉ LE 27 JUILLET 2021
       
L’évolution de l’électronique obéit à deux tendances : toujours plus petit et toujours plus diversifié !
Or, l’ajout de nouvelles fonctionnalités multiplie le nombre de composants et de métaux requis.
Explications en vidéo :

Smartphone, une mine urbaine
Plus de 60 matériaux, sur les 103 éléments du tableau périodique de Mendeleïev, entrent dans la composition d’un smartphone. Parmi eux, une grande majorité sont identifiés comme « critiques » par l’Union européenne et comme « stratégiques » par la France car elles n’en maîtrisent pas la production.


Téléchargez l'infographie sur les matériaux critiques dans un smartphone

Matériaux critiques - matériaux stratégiques
Un matériau est dit critique quand la difficulté de son approvisionnement, sujet à des aléas, peut entraîner des impacts industriels ou économiques négatifs important. La Commission européenne en dresse tous les trois ans depuis 2011 une liste qui en compte aujourd’hui 45.
Un matériau est dit stratégique lorsqu’il est indispensable à la politique économique, énergétique et à la Défense d’un pays. Le Comité pour les matériaux stratégiques (Comes) de la France en ajoute 13 à la liste européenne.

SOUVERAINETÉ MINÉRALE
« La pénurie actuelle de semi-conducteurs illustre la dépendance de l’Europe à des fournisseurs étrangers. Aujourd’hui, c’est en Asie que sont conçus et fabriqués les processeurs, composants maîtres. Certes, l’Europe et la France disposent encore de compétences, par exemple sur les caméras (STMicroelectronics) ou les substrats des parties radiofréquence (Soitec). Il y a un fort enjeu de souveraineté technologique et industrielle »,
indique Thomas Ernst, directeur scientifique du CEA-Leti, institut à l’origine des premiers accéléromètres, micro-capteurs permettant à l’affichage de l’écran de s’adapter à sa position  horizontale ou verticale.

Se pose dès lors la question de la souveraineté minérale, tant les désormais très nombreux métaux utilisés sont produits hors d’Europe. Une situation de « criticité » que les scientifiques du CEA-Leti cherchent à pallier en substituant certains métaux par d’autres, ou en récupérant le maximum d’entre eux lors des différents procédés de microélectronique.

Et le recyclage ?
Les chercheurs y travaillent ! Mais, de l’avis de la directrice de recherche au CEA-Leti Léa di Cioccio :

« Ces métaux sont extraits des composants sous une forme oxydée qui complique leur réutilisation pour la microélectronique. Par ailleurs, les composants sont tellement miniaturisés, intégrés et les métaux mélangés que leur récupération reste marginale ».
Des marges de manœuvre existent, avec des actions prolongeant la durée de vie des dispositifs en évitant par exemple que les nouveaux logiciels soient incompatibles avec les versions antérieures.
Nombre de matériaux dans les téléphones

± 12 dans un téléphone fixe en 1950
± 30 dans un gros téléphone portable en 1990
± 60 dans un smartphone en 2010
Autres alternatives : la réparabilité des smartphones ou la deuxième vie des composants pour d’autres applications. Mais ces derniers doivent pouvoir être facilement extraits, ce qui suppose une connectique plus grosse se répercutant sur la taille du smartphone. Des entreprises européennes comme FairPhone ou Puzzle Phone se sont lancées dans cette aventure, sans grand succès commercial. Avant que cela ne devienne bientôt la nouvelle tendance !

Plusieurs tours du monde pour fabriquer un smartphone

Plusieurs tours du monde pour fabriquer un smartphone © J.Perrodeau / Défis du CEA


*         Conception : le plus souvent aux États-Unis.

*         Extraction et conditionnement des matériaux : par exemple, en part de la production mondiale* : Chine (86 % des terres rares lourdes et légères, 89 % du magnésium, 80 % du bismuth, gallium et germanium), Afrique du Sud (93 % du ruthénium, 80 % du rhodium, 71 % du platine), Congo (59 % du tantale et 64 % du cobalt), États‑Unis (88 % du béryllium), Brésil (92 % du niobium), Chili (44 % du lithium), France (49 % du hafnium).

*         Fabrication des composants : en Asie, aux États-Unis et en Europe.
*         Assemblage : en Asie.

*         Distribution : dans le monde entier.

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Du multi-recyclage en REP à la fermeture du cycle

Pour répondre aux enjeux stratégiques de fermeture du cycle, le CEA mène des études, recherches et développements sur des procédés de multi-recyclage du combustible usé, à moyen terme, en réacteurs à eau pressurisée (REP) et, à plus long terme, dans des réacteurs à neutrons rapides (RNR).

PUBLIÉ LE 28 JUILLET 2021
       

Le multi-recyclage en REP
Des études sont menées par le CEA, Orano, EDF et Framatome pour mesurer l’intérêt, la faisabilité, la compétitivité et la performance du multi-recyclage de l’uranium et du plutonium dans les REP. Elles concernent de nombreuses questions telles que la sûreté en réacteur, les procédés de traitement et de fabrication, le transport, l’entreposage et le stockage des déchets produits.
LES BÉNÉFICES DU MULTI-RECYCLAGE EN REP
Ce multi-recyclage en REP permettrait de stabiliser l’inventaire des combustibles usés produits par le parc de réacteurs français en réutilisant intégralement l’uranium et le plutonium issus du traitement des combustibles UOx et MOX. Il contribuerait de plus à diminuer encore la consommation d’uranium naturel : 10 % de moins par rapport au mono-recyclage et 20 % par rapport à un cycle sans recyclage, dit ouvert.
LES CONTRAINTES À PRENDRE EN COMPTE
Cependant, la dégradation de la qualité du plutonium lors de son recyclage en REP nécessite de concevoir de nouveaux assemblages combustibles contenant du plutonium et de l’uranium enrichi, à la différence du MOX qui est fait en utilisant de l’uranium appauvri.
De plus, le recyclage de l’ensemble des matières issues de tous les combustibles usés conduit à augmenter les quantités de plutonium dans le cycle du combustible et dans les réacteurs. Les conséquences de cette augmentation sur les performances des réacteurs (sûreté et exploitation) et le cycle du combustible (traitement, fabrication, transport, entreposage) doivent être prises en compte.


La fermeture du cycle
Les développements technologiques nécessaires à la mise en œuvre du multi-recyclage en REP sont précurseurs de ceux nécessaires pour la fermeture du cycle. Le multi-recyclage en REP serait ainsi une étape importante avant le déploiement, à long terme, du multi-recyclage au moyen de réacteurs à neutrons rapides (RNR) et d’usines du cycle associées. Un déploiement de réacteurs de ce type n’est pas programmé en France avant la deuxième moitié du 21e siècle mais le CEA et ses partenaires industriels poursuivent les développements de procédés de traitement et de fabrication de nouveaux combustibles adaptés, en particulier, aux teneurs élevées en plutonium, caractéristiques des combustibles des RNR (de l’ordre de 25 % contre 10 % dans les combustibles MOX des REP).

LES BÉNÉFICES DU MULTI-RECYCLAGE EN RNR
Les réacteurs à neutrons rapides valorisent tous les isotopes du plutonium, ce qui permet un recyclage récurrent du combustible. De plus, la consommation de plutonium des RNR peut être compensée dans ces réacteurs par la capture de neutrons rapides par l’238U qui conduit à la génération de 239Pu. Ainsi, le parc de RNR produirait lui-même son combustible fissile à partir des réserves d’uranium appauvri présentes en France, permettant ainsi à la France d’atteindre son indépendance vis-à-vis des ressources naturelles d’uranium.
Par ailleurs, les RNR génèrent environ quatre fois moins d’actinides mineurs, qui sont des déchets à vie longue, que les réacteurs du parc actuel, tout en produisant la même quantité d’électricité. Ils seraient même capables de « brûler » ces éléments, en particulier l’américium, en les transformant en produits de fission à la durée de vie beaucoup plus courte. Cette opération, dite de transmutation, a fait l’objet de recherches poussées, tant en France, par le CEA, qu’au Japon et aux États-Unis. Les déchets pourraient ainsi retrouver en trois siècles, au lieu de plusieurs dizaines de millénaires, une radiotoxicité comparable à celle du minerai d’uranium naturel.
La R&D sur la séparation-transmutation se poursuit actuellement dans un cadre européen (projets Horizon 2020 GENIORS et PATRICIA) et une voie plus innovante, mettant en œuvre des réacteurs à sels fondus, va être explorée afin d’en identifier toutes les potentialités, mais également les verrous technologiques.

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