LA PÂLE LUMIÈRE DE LA MATIÈRE NOIRE

Conférence donnée à l'IAP le 4 mars 2008, par Gianfranco Bertone, astrophysicien à l'IAP.

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ENERGIE NOIRE ET MATIÈRE NOIRE

Conférence donnée à l'IAP le 5 avril 2011, par Nathalie Palanque-Delabrouille, astrophysicienne au CEA (Saclay). Energie noire, matière noire : l'univers invisible
        la lumière dans l'univers
        le mystère de la matière noire
        la face cachée de l'univers : l'énergie noire
        et si la réponse était ailleurs ?

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Jean-Michel Prima - 1/07/2014
Le génome de la framboise sur Raspberry Pi

Des scientifiques viennent de parvenir à assembler les 400 millions de paires de bases du génome de la framboise sur un simple Raspberry Pi, un mini-ordinateur disposant seulement de 512 Mo de Ram. Objectif de cette performance : démontrer le très peu de mémoire vive nécessaire à la nouvelle génération de logiciels mis au point par Genscale, une équipe de bio-informatique au centre Inria Rennes - Bretagne Atlantique. Cette nouvelle technologie est mise à disposition des biologistes dans GATB, une boîte à outils entièrement dédiée à l'assemblage génomique.
Le séquençage génomique devient une opération de routine. Cela grâce à ce qu'on appelle les NGS, les séquenceurs de nouvelle génération. Relativement peu coûteux, ces appareils produisent des volumes de données jusqu'alors inconnus. La molécule d'ADN est exprimée en millions de suites de caractères où se succèdent les lettres A C G T. Problème : impossible d'exploiter directement ces données à la sortie des machines. Ce sont de petits fragments de textes qu'il faut ensuite comparer puis assembler pour recomposer la séquence. Ce travail de puzzle s'effectue à l'aide de logiciels spécialisés. Ce sont les assembleurs génomiques. Mais ces outils présentent encore un défaut : il leur faut un cluster pour pouvoir fonctionner. Du coup, face à une production de données désormais massive, la phase d'assemblage constitue le goulet d'étranglement dans la chaîne de production des biologistes.
“Le fond du problème c'est l'empreinte mémoire, ” résume Dominique Lavenier, responsable de GenScale, une équipe de recherche qui s'est donnée pour objectif d'améliorer les algorithmes utilisés par ce type de logiciels. Au terme d'un long travail portant sur l'optimisation du code, les scientifiques publient une suite d'applications capables de travailler avec très peu de Ram. “Environ 20 à 50 fois moins que les logiciels existants.” Le bond dans les performances est tel qu'il pourrait bien changer la donne pour les biologistes. “Ils vont pouvoir assembler sur des ordinateurs de bureau et non plus seulement sur des clusters. ”
Frugalité en Ram
Afin de démontrer la frugalité en Ram de leurs nouveaux algorithmes, les chercheurs sont allés jusqu'à tenter de faire fonctionner l'une des applications sur un Raspberry Pi, un ordinateur rudimentaire à peine plus gros qu'une carte de crédit et ne disposant que de 512 Mo de mémoire vive. “Guillaume Collet est le post doctorant qui a eu cette idée et s'est chargé de l'implémentation du logiciel sur un aussi petit ordinateur. ” La première vraie expérience a été menée sur C. Elegans . Le génome de ce ver de vase microscopique comporte 100 millions de paires de base. Il a été assemblé en 19 heures. “Cela n'a pas fonctionné du premier coup. Nous avons dû optimiser l'algorithmique encore davantage. Et ainsi, cela a fini par passer. ” Clin d'oeil au Raspberry, les scientifiques ont ensuite entrepris d'assembler le génome de la framboise. Soit 400 millions de paires de base. Environ un dixième du génome humain. Professeur à l'université Brigham Young, dans l'Utah, Joshua Udall s'est chargé de fournir les données issues du séquençage. L'assemblage a nécessité ensuite une bonne semaine. Mais l'opération a marché, ouvrant ainsi la porte à du fonctionnement en routine sur de simples ordinateurs de bureau.
Deux étudiants de thèse ont joué un rôle clé dans ces travaux. “Rayan Chikhi et Guillaume Rizk ont amené les idées fondatrices. Trois chercheurs en informatique de l'université Paris-Est Marne-la-Vallée ont aussi apporté une contribution très intéressante pour l'optimisation du code. Au bout d'un moment, il est devenu clair qu'il y avait dans ces résultats de recherche la base pour un vrai logiciel susceptible de rendre des services à la communauté scientifique. ”
Composer de nouvelles applications
L'ANR décide alors de soutenir cette idée avec un financement de 180 000 € pour transformer le prototype de recherche en un outil complètement opérationnel. Le but est aussi d'encourager un éventuel transfert de technologie vers l'industrie. Cette aide a permis le recrutement d'un ingénieur qui a d'ailleurs complètement repensé l'organisation du logiciel. “Erwan Drezen a restructuré en construisant des librairies qui deviennent les bases de nos applications. Avec du recul, c'est très pertinent. À l'aide de ces librairies, il suffit désormais de quelques jours de travail pour concevoir de nouveaux outils. ”
 
Ces librairies feront partie de la boîte à outils. Ce qui permettra donc aux programmeurs de composer eux-mêmes rapidement leurs propres applications d'assemblage haut-débit fonctionnant sur faible empreinte mémoire. “Et nous les encourageons d'ailleurs à le faire, indique Dominique Lavenier. En effet, l'assemblage d'une bactérie ou d'un mammifère requiert des approches différentes. Donc des outils différents. C'est pourquoi dans notre vision des choses, l'assemblage génomique devrait s'effectuer avec une multitude d'assembleurs spécialisés en fonction d'une cible précise. ”

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2 minutes pour recharger son smartphone ? Possible, avec les quantum dots

Une start-up israélienne fait sensation au Congrès mondial de la téléphonie de Barcelone avec une nouvelle génération de batterie à base de nanoparticules biologiques aux propriétés quantiques.

DÉMO. Après l'Ara de Google, c'est un nouveau temps fort du Congrès mondial de la téléphonie de Barcelone : la présentation d’une nouvelle génération de batterie fabriquée par la société StoreDot. Il y a plusieurs mois, une vidéo de démonstration avait fait le buzz sur la toile. Pas étonnant : on y voit un smartphone se recharger en 30 secondes chrono. Un exploit quand on sait qu’aujourd’hui il faut parfois attendre plusieurs heures avant d’atteindre une charge complète, un pensum.

La vidéo ci-dessous met en scène un prototype, encore trop encombrant pour se fixer à l’intérieur du smartphone et dont la capacité ne permettrait pas de tenir une journée. À Barcelone, cette techno a été adaptée à un Samsung Galaxy S5, qu'on voit passer d'un taux de charge de 15% à un taux de 100% en moins de 15 minutes (voir la vidéo du site Cnet.com).
BOÎTES QUANTIQUES. À l’origine des étonnantes prouesses de cette nouvelle batterie se trouvent des cristaux nanométriques nommés quantum dots. Fabriqués à partir de composés semi-conducteurs, ces "boîtes quantiques" parviennent à confiner des électrons et des trous (emplacement des électrons ayant été délogés auparavant) dans un espace restreint en 3 dimensions, de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres. Cet assemblage leur vaut parfois le nom "d'atomes artificiels". Leurs propriétés optiques et électroniques sont déjà utilisées dans de nombreuses applications (transistor, LED, imagerie médicale, capteurs solaires…).
C’est la 1ère fois qu’on utilise des peptides pour fabriquer des quantum dots
PEPTIDES. Habituellement, les quantum dots sont synthétisés à partir de matériaux inorganiques souvent à base d’arsenic, de gallium et de sélénium. Or la société StoreDot propose pour la première fois d’utiliser des peptides - ces molécules organiques formées d’acides aminés, briques élémentaires des protéines. Une révolution ! D’après Gil Rosenman, directeur de recherche de StoreDot, ces peptides s’assemblent spontanément pour former des quantum dots dans certaines conditions.

Les peptides s’organisent spontanément sous forme de quantum dots dans certaines conditions. Source : Nature
Personne n’avait envisagé que des peptides puissent se comporter comme des semi-conducteurs
SEMI-CONDUCTEURS. L’avantage des chaînes peptidiques, c’est qu’elles sont faciles et peu chères à synthétiser. De plus, comme le soulignaient Charlotte Hauser et Shuguang Zhang dans la revue Nature en 2010, ces quantum dots sont fabriqués "à partir d’acides aminés produits naturellement par les plantes et les animaux, ils ne devraient donc pas être trop nocifs pour l’environnement [….]. Cela contrairement à la plupart des quantum dots inorganiques, particulièrement ceux fabriqués à partir de métaux lourds". "C’est une découverte remarquable, ajoutent-ils, car bien que les grosses molécules organiques conductrices d’électricité soient bien connues (leur découverte a été récompensée par le prix Nobel de Chimie en l’an 2000), personne n’avait envisagé que des peptides biologiques puissent se comporter comme des semi-conducteurs". D’après StoreDot, les nouvelles batteries boostées aux nanoparticules biologiques pourraient, à terme, tenir cinq jours au lieu d'un pour les batteries classiques. Et 7 minutes de charge suffiraient pour pouvoir utiliser votre smartphone pendant 24 heures. Sans compter que, selon Gil Rosenman, la durée de vie de la batterie serait significativement prolongée. "Grâce à leur forme cristalline, les quantum dots pourraient se maintenir pendant des milliers de cycles de charge".

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Quark, méson, kaon... d’où vient le nom des particules ?


Anatomie d'un atome avec ses électrons (en rouge) qui orbitent autour du noyau (bleu). Le premier zoom montre le noyau fait d'un ensemble de protons et de neutrons. ©BSIP/AFP



PARTICULES. Pion, Kaon, Quark, J/Ψ (prononcez Ji/psy)… Les noms de gangs de rue ? De héros de mangas ? D’activistes de confréries secrètes ? Rien de tout cela ! Ces minus ignorés du grand public constituent le "vrai peuple" de l’Univers, les ingrédients ultimes du Cosmos, autrement dit les particules élémentaires de la matière.
Leurs noms étranges remplissent les livres de science du 20e siècle et inspireront sans doute un jour les historiens et sociologues qui se pencheront dans le futur sur cette période ultra faste de l’histoire de la physique. Car c’est durant ces décennies –entre les années 1910 et 1980- que les chercheurs dénichaient une nouvelle particule tous les quatre ou cinq ans. Les ingrédients ultimes du Cosmos datent tous en effet du siècle dernier. A l’exception du boson BEH, du nom de ceux qui ont formulé la première fois l’hypothèse de son existence (Brout, Englert et Higgs) - alias le boson de Higgs - qui a fini par pointer le bout de son nez au grand collisionneur à Hadrons, au Cern (Genève) en 2012.

L'épineux choix du nom
Mais comment a-t-on choisi leur nom, alors qu’ils auraient pu être simplement désignés par des chiffres et des lettres ? Le monde étant constitué de trois familles de quatre particules, les esprits savants du siècle dernier auraient très bien pu les nommer selon des "matrices", ces objets mathématiques en forme de tableau, constitués de lignes et de colonnes : A1, A2, A3 pour la première famille, jusqu’à C1,C2… C4 pour la dernière. Toute entreprise humaine étant empreinte de culture, les scientifiques ont choisi une autre voie, et l’on peut comprendre l’esprit de l’époque à travers les noms ainsi retenus. Un premier tour de piste montre l’attachement des physiciens du XXe siècle, ces pères fondateurs de la discipline, à ce que l’on appelait jadis les Humanités (littérature, philosophie, culture grecque et latine) et dont on peut déplorer l’absence de la scène scientifique actuelle.
Electron. Commençons ainsi par l’électron, cette particule élémentaire de matière, porteur d’une charge électrique négative. "Électron" vient du grec Elektros qui signifie "ambre jaune". Son découvreur Joseph Thompson (Nobel 1906 de physique) a pris comme référence l’expérience de Thalès de Milet, philosophe et mathématicien grec (VIème siècle avant JC) qui avait remarqué une des propriétés inexpliquée de l’ambre jaune. Frottée avec une peau de chat, cette résine naturelle attire d'autres objets… Nous le savons aujourd’hui, cette étrange propriété est due à la présence des électrons porteurs de charges électrostatiques.

Quark. Cette particule élémentaire qui compose le noyau de l’atome, et dont des associations forment les protons et les neutrons du noyau, fait référence au roman "Finnegans Wake" de l’Irlandais James Joyce.  L’ouvrage paru en 1939 est écrit dans une langue qui mélange le gaélique et l’anglais avec des mots inventés. Difficile à lire, il aurait cependant beaucoup inspiré des écrivains comme Beckett et Queneau. Le découvreur du Quark, le physicien américain Murray Gell-Mann –prix Nobel de Physique en 1969– s’est inspiré d’une phrase du livre : "Trois quarks pour Muster Mark". Cette onomatopée était ici utilisée pour rimer avec Mark ! Elle est devenue un mot courant de la physique… et un des ingrédients de base de l’Univers. Car c’est l’association de plusieurs quarks qui forme les particules composites appelées mésons, très éphémères.

Méson. Il existe toute une variété de mésons en fonction des différentes associations de quarks. Leur découvreur, le physicien japonais Hideki Yukawa - prix Nobel 1949-, les avait nommés en premier des mésotrons… du grec meso (médian) et électron. Mais un des pères de la mécanique quantique, le physicien allemand Werner Heisenberg, prix Nobel 1932, arguant que le terme grec mesos ne possédait pas de tr, les mésotrons furent baptisés finalement "méson". Il est vrai que le père de Heisenberg était professeur de grec à l’université de Munich !

Pion et Kaon. Ces autres types de méson doivent leur nom à la notation grec et à la prononciation de la lettre, tout comme upsilon, un autre méson dont le nom correspond à la 20e lettre de l’alphabet grec…
J/ψ (ji/psy). Les néophytes ont tendance à écrire le nom bizarroïde de cette particule  Gypsy, l’enveloppant ainsi dans des effluves exotiques. Or la double identité de ce méson provient du fait qu’il a été conjointement découvert en 1974 par Burton Richter, de l’accélérateur linéaire de l’université de Stanford (SLAC) et Samuel Ting, Américain d’origine Chinoise, qui travaillait alors au Laboratoire National Brookhaven. Ce dernier est devenu très médiatique aujourd’hui en raison de ses déclarations chocs. En mars 2013, il avait ainsi annoncé dans la presse avoir résolu un des grands mystères de l’Univers : celui de la matière noire ! Ting et Richter partagèrent par la suite le Nobel 1976 de physique… Mais tandis que Richter commença par nommer la particule par la lettre grecque ψ, son collègue rajouta la lettre J. Pourquoi J ? Aucune raison officielle n’a été avancée, mais quelques rumeurs circulent : le sinogramme?, se prononçant "ting" en mandarin ressemble à un J. Une manière de signer avec élégance…

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