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La campagne de collisions d’ions lourds du LHC a commencé |
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La campagne de collisions d’ions lourds du LHC a commencé
Durant 17 jours, les équipes recueilleront le maximum de données de collisions plomb-plomb
6 NOVEMBRE, 2024 | Par Chetna Krishna
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est semblable à une cuisine ultramoderne, imaginée pour cuisiner les recettes les plus rares et les plus succulentes de l’Univers, telles que le plasma de quarks et de gluons, un état de la matière qui prévalait juste après le Big Bang. Bien que le LHC fasse principalement entrer en collision des protons, une fois par an, des collisions ont lieu entre ions lourds, tels que des noyaux de plomb, un ingrédient essentiel pour préparer cette soupe primordiale.
Le 6 novembre, à 11 h 13, une nouvelle campagne d’exploitation avec ions lourds a débuté au LHC, faisant entrer en collision des ions plomb, qui contiennent 208 nucléons (82 protons et 126 neutrons), à l’énergie de 5,36 TeV par paire de nucléons.
La campagne avec ions lourds durera près de trois semaines, permettant ainsi aux scientifiques de recueillir suffisamment de données pour plusieurs années d’analyse, afin de tenter de comprendre les premiers moments de l’Univers.
Les spécialistes de la physique des accélérateurs du Centre de contrôle du CERN se préparent également à augmenter la performance en termes de luminosité de la machine par rapport à l’année dernière.
« Nous avons pour but de produire au moins 30 % de collisions supplémentaires par jour par rapport à 2023 », explique Roderik Bruce, physicien spécialiste des accélérateurs et coordinateur du LHC pour le programme d’ions lourds au CERN.
Pour cette campagne, les équipes ont consolidé des concepts innovants mis en place l’année dernière, tels que la collimation avec des cristaux et un nouveau système d’injection de faisceaux, avec un espacement plus court entre les paquets ; on peut ainsi concentrer davantage d’ions plomb dans un faisceau pour que les collisions génèrent davantage de données de physique.
L’expérience ALICE du CERN est consacrée à la physique des ions lourds auprès du LHC. Son détecteur, spécialement construit pour les mesures avec des ions lourds, a été amélioré lors du dernier long arrêt afin de pouvoir accumuler et stocker bien plus de collisions qu’auparavant. Cette année, l’objectif est de doubler le volume total de données recueillies depuis le début de la troisième période d’exploitation du LHC.
« Nous avons hâte de recueillir les grands échantillons de données que cette campagne promet de nous livrer. Nous devrions pouvoir ainsi effectuer une première mesure directe de la température du plasma quarks-gluons et étudier ses autres propriétés avec une précision sans précédent », rapporte Marco van Leeuwen, porte-parole de l’expérience ALICE.
Les autres expériences du LHC ont également optimisé leurs détecteurs et leur capacité d’acquisition de données afin de tirer le meilleur parti de cette campagne avec ions lourds.
La vitesse d’acquisition de données du détecteur CMS a été portée de 20 à 30 gigaoctets par seconde, ce qui signifie qu’il n’a plus à filtrer les données lors de la campagne d’exploitation avec ions lourds.
De même, le détecteur ATLAS est à présent entièrement adapté aux nouveaux systèmes d’acquisition de données, ce qui améliore grandement son système de déclenchement pour les jets de particules et les leptons. Ses stratégies de déclenchement ont en outre été affinées pour les collisions ultrapériphériques, qui se produisent lorsque deux ions lourds passent très proche l’un de l’autre, sans entrer en collision de manière frontale. Des études de physique peuvent ainsi être réalisées dans des champs électromagnétiques d’une extrême intensité.
Le détecteur LHCb enregistrera les données des collisions plomb-plomb avec une luminosité instantanée 70 % supérieure à celle de l’année dernière, ce qui lui permet de recueillir un grand volume de données et d’étudier des processus rares, tels que la production d’hadrons de beauté, avec une grande précision. Autre nouveauté, cette année, LHCb sera capable d’injecter du néon et de l’argon gazeux dans son système spécial SMOG2 afin de recueillir des données pour les collisions plomb-néon et plomb-argon, parallèlement à celles recueillies pour les collisions plomb-plomb.
L’étude du plasma quarks-gluons est un moyen de savoir comment la matière s’est formée dans l’Univers primordial, seulement un centième de milliardième de seconde après le Big Bang. La campagne d’exploitation avec ions lourds est une occasion unique au LHC pour étudier la matière dans ses conditions les plus extrêmes.
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La fabrication de la lumière laser |
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La fabrication de la lumière laser
Les lasers produisent une lumière domptée bien différente de la lumière ordinaire produite par le Soleil ou les ampoules. Les propriétés du laser vont être à la base d'applications utilisant ce type de lumière.
Publié le 30 juin 2015
Au service de la science, de la médecine, du transport de l’information, de l’industrie et au cœur de notre vie quotidienne, le laser est partout présent.
INTRODUCTION
Dans les années 1960 naissaient les premiers LASERs, acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement). Très vite, leur lumière magique a trouvé de multiples applications. Les lasers se sont installés dans notre vie quotidienne : CD, DVD, dans nos imprimantes et les lecteurs de codes-barres des supermarchés. Ils font la beauté des spectacles qui portent leur nom. D’autres, dans l’industrie, coupent, soudent et percent. Les faisceaux rectilignes des lasers servent aussi à aligner des routes, des tunnels… En médecine, ils réparent ou brûlent les zones malades sans toucher aux parties saines. Mais pourquoi les lasers sont-ils capables de faire toutes ces choses alors que la lumière ordinaire, émise par le Soleil ou une ampoule, ne peut pas les réaliser ?
Le CEA travaille depuis longtemps sur toutes les formes de lasers. Les chercheurs les utilisent dans leurs travaux pour des applications classiques (alignement, perçage, spectroscopie…) et en développent de nouveaux pour des usages spécifiques et innovants. C’est le cas de nombreux lasers de puissance grâce auxquels ils étudient, par exemple, l’interaction d’une impulsion lumineuse très intense avec la matière. Outils indispensables pour de nombreuses applications, il ne faut pourtant pas ignorer les risques associés à leur manipulation, puisqu’ils véhiculent de l’énergie, ni oublier les précautions d’utilisation.
COMPARAISON DE LA LUMIÈRE ORDINAIRE ET DE LA LUMIÈRE LASER
Les lasers produisent une lumière bien différente de la lumière ordinaire produite par le Soleil ou les ampoules. Le tableau ci-dessous dresse leurs portraits robots et liste leurs dissemblances.
L’ÉMISSION STIMULÉE
Un atome, un ion ou une molécule excité peut libérer son énergie par « émission spontanée » d’un photon.
Il existe un autre mode prévu par Albert Einstein en 1917. Une particule (atome, ion ou molécule) excitée, qui reçoit un photon de la même énergie que celui qu’elle pourrait émettre de manière spontanée, émet un photon par l’effet dit « d’émission stimulée ». La particularité de ce type d’émission est que le photon stimulé prend strictement les mêmes caractéristiques (couleur, direction et phase) que le photon incident, comme si le second était la photocopie du premier.
L’INVERSION DE POPULATION
L’émission stimulée agit donc comme une duplication de la lumière. En répétant de nombreuses fois ce phénomène, il est possible de créer une lumière qui est composée de photons tous identiques, de même couleur, émis dans la même direction comme s’ils étaient la copie conforme les uns des autres : c’est la lumière laser.
Les caractéristiques particulières de la lumière laser sont exploitées dans de multiples domaines.
Pour en savoir plus
Le spectre électromagnétique
Etude des variations induites dans les matériaux lasers par pompage optique. © P.Stroppa/CEA
Maquette 1/5 de la chaîne laser de la Ligne d’Intégration Laser (LIL). Elle a permis de développer des logiciels d’alignement systémique des divers éléments (amplificateurs, miroirs...). © A.Gonin/CEA
La seule découverte de l’émission stimulée n’a cependant pas été suffisante pour créer des lasers. En effet, dans la matière, les atomes, les ions ou les molécules sont beaucoup plus nombreux dans un état non excité que dans un état excité. Un photon incident a ainsi une probabilité plus grande d’être absorbé que d’engendrer un photon par émission stimulée. Pour produire de la lumière laser, il faut trouver un moyen de renverser la tendance et d’obtenir un milieu contenant plus de particules excitées que de particules au repos. Ce processus est appelé inversion de population.
Le physicien français Alfred Kastler, en 1949, a apporté une solution à ce problème : le pompage optique, qui permet de transférer de l’énergie lumineuse à des atomes. Ces résultats lui valurent le prix Nobel de physique en 1966. Le premier milieu utilisé a été le rubis : éclairé par de la lumière blanche, il absorbe une partie des couleurs (du vert au bleu) et émet de la lumière rouge (694,3 nanomètres de longueur d’onde), de manière stimulée ou non. Le pompage optique n’est pas la seule façon d’obtenir l’inversion de population, celle-ci peut aussi être provoquée, puis entretenue et par décharge électrique et certaines réactions chimiques.
Constant et ordonné, le faisceau laser reste monochromatique, fin et directionnel.
L’OSCILLATEUR LASER
Pour fabriquer la lumière laser, il faut une source d’énergie et un oscillateur laser.
L’oscillateur est une sorte de cylindre allongé avec un miroir à chacune de ses extrémités. Il est empli du milieu laser, matériau solide, liquide ou gazeux contenant des particules capables d’émettre des photons. Par exemple, le rubis est un milieu laser solide dont les atomes excitables sont ceux du chrome.
Oscillateur laser. Une source d’énergie va exciter les particules du milieu laser qui pourront alors émettre de la lumière. © Yuvanoé/CEA
Comment l’oscillateur laser produit la lumière ?
Imaginons un photon émis spontanément dans le milieu laser dont la trajectoire est perpendiculaire aux plans des miroirs. En rencontrant une particule excitée, il va stimuler l’émission d’un deuxième photon. Les deux photons identiques peuvent à leur tour stimuler d’autres émissions de photons et ainsi de suite, jusqu’à ce que le groupe de photons rencontre le miroir. Leur trajectoire étant perpendiculaire au plan de celui-ci, ils seront renvoyés strictement en sens inverse et continueront de nouveau à provoquer des émissions stimulées. Dans cette réaction en chaîne, le nombre de photons identiques qui vont et viennent entre les miroirs va donc augmenter à chaque passage : la lumière laser est amplifiée. Pour que l’amplification soit efficace, il faut que les ondes de photons restent en phase après un aller-retour, c’est ce qui donne sa cohérence à la lumière. Pour que le faisceau sorte de l’oscillateur laser, l’un des deux miroirs est partiellement transparent, comme peut l’être un miroir sans tain. La plupart des photons sont réfléchis mais certains le traversent, permettant ainsi au faisceau laser de sortir.
Pour qu’un oscillateur produise de la lumière laser en continu, il faut que la source d’énergie, de type lumineuse, électrique ou chimique, soit elle-même continue. Après une rapide phase de mise en route, la lumière garde une puissance constante. Il existe des cavités laser capables d’émettre la lumière laser de manière discontinue, par impulsions brèves et intenses. On dit alors que le laser est impulsionnel.
LES AMPLIFICATEURS LASER
La lumière laser produite par un oscillateur peut, pour certaines applications, être utilisée directement. Mais dans le cas où il est nécessaire d’avoir une puissance beaucoup plus grande, il faut amplifier la puissance véhiculée par la lumière laser émise par l’oscillateur par une série d’amplificateurs. L’amplificateur est constitué d’un milieu laser. Son principe de fonctionnement est le même que celui de l’oscillateur. Les particules du milieu laser de l’amplificateur sont excitées par le faisceau laser sortant de l’oscillateur et les photons qui vont traverser l’amplificateur vont produire par réaction en chaîne de nombreux autres photons identiques : la puissance de la lumière laser est amplifiée. Pour obtenir la puissance recherchée, plusieurs amplificateurs sont placés sur la trajectoire du faisceau laser. Au fur et à mesure de l’augmentation de la puissance, il faut augmenter le diamètre du faisceau et des amplificateurs, pour éviter que les composants optiques (milieux laser en verre, miroirs, lentilles…), soumis à l’énergie grandissante de la lumière laser, ne soient endommagés. La série constituée de l’oscillateur, des amplificateurs et des autres composants optiques constitue une chaîne laser.
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L'ESSENTIEL SUR... Les matières premières critiques |
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L'ESSENTIEL SUR...
Les matières premières critiques
Publié le 2 février 2022
Les matières premières dites critiques sont des matières premières pour lesquelles un risque pèse sur la chaîne d’approvisionnement, soit parce que celle-ci est concentrée dans un très petit nombre de pays, soit parce que la stabilité politique des pays fournisseurs est limitée, alors qu’elles présentent un intérêt économique ou industriel fort pour les pays demandeurs. Certaines sont très utilisées pour le développement des nouvelles technologies, notamment celles des transitions énergétique et numérique. Elles sont donc au cœur d’enjeux stratégiques importants, allant même jusqu’à toucher directement à l’indépendance des pays.
QU’EST-CE QU’UNE MATIÈRE PREMIÈRE CRITIQUE ?
Une matière première critique est une matière première dont l’approvisionnement peut être sujet à des aléas et dont le défaut peut avoir des impacts industriels ou économiques négatifs importants. Ces matières premières peuvent être aussi bien des métaux que des éléments chimiques. Elles sont répertoriées par la Commission européenne tous les 3 ans depuis 2011, sur une liste qui en compte aujourd’hui 30. Outre les terres rares (un groupe de 17 métaux aux propriétés voisines), cette liste comprend notamment l’indium, le cobalt, le lithium, la bauxite ou encore des métaux nobles comme le platine.
Le Comes
En France, le ministère de l’Industrie et le ministère de la Transition Ecologique ont créé le Comes (Comité aux métaux stratégiques) en 2015. Il regroupe entre autres des organismes de recherche français - CEA, BRGM - et des industriels avec trois objectifs :sensibiliser les filières industrielles sur les risques d’approvisionnement en matières premières ;valoriser les ressources primaires (extraites) et secondaires (recyclées) du territoire ;engager une diplomatie des matières premières.
En France, le Comité pour les métaux stratégiques (Comes) publie depuis 2015 une matrice de criticité permettant d’identifier des métaux stratégiques pour la France, c’est-à-dire des métaux indispensables notamment pour l’économie du pays, l’indépendance énergétique et la défense. Cette liste spécifique à la France inclut notamment l’argent, le chrome ou encore le cuivre, qui ne sont pas identifiés comme critiques au niveau européen.

POURQUOI CES MATIÈRES SONT-ELLES CRITIQUES ?
Ces matières premières ont généralement une production (extraction et raffinage) concentrée dans quelques pays. Or, pour certaines d’entre elles, la demande se fait croissante, comme dans le domaine des batteries, des panneaux photovoltaïques ou des moteurs électriques. Les batteries des véhicules électriques contiennent ainsi du lithium, du cobalt et du graphite, trois matières premières critiques. Or, l’Agence Internationale de l’Energie estime par exemple que la demande en lithium sera multipliée par 10 à 40 d’ici à 2040, par rapport à 2020.
Autre exemple, les aimants permanents. Utilisés dans la plupart des moteurs des voitures électriques ou dans les génératrices d’éoliennes en mer, ils contiennent des « terres rares », dont 75 à 80 % sont extraites en Chine, ce qui rend difficile la diversification des sources d’approvisionnement. Le besoin en matières premières pour le marché européen est stratégique et pourtant l’Europe reste dépendante à plus de 95 % de sociétés hors de l’Union Européenne.
QUELS SONT LES PRINCIPAUX PAYS PRODUCTEURS DE MATIÈRES PREMIÈRES CRITIQUES ?
Parmi les principaux producteurs de matières premières critiques se trouvent :
* la Chine, qui produit aujourd’hui 86 % des terres rares, 89 % du magnésium, 80 % du bismuth, gallium et germanium ;
* l’Afrique du Sud, qui produit 93 % du ruthénium, 80 % du rhodium et 71 % du platine ;
* le Congo, qui produit 59 % du tantale et 64 % du cobalt ;
* les Etats-Unis, qui produisent 88 % du béryllium ;
* le Brésil, qui produit 92 % du niobium ;
* le Chili, qui produit 44 % du lithium ;
* la France, qui produit 49 % du hafnium (utilisé notamment dans les réacteurs nucléaires de sous-marins).
Cependant, il y a pour chaque matière première une chaîne de valeur : mines, transformation, composants et systèmes, impliquant souvent différents pays, ce qui augmente les risques et les tensions d’approvisionnement.
Dans le domaine de l’extraction du cuivre par exemple, le Chili domine, mais la transformation du minerai en cuivre (utilisable par l’industrie) est majoritairement effectuée en Chine. Même chose pour le cobalt, qui est extrait en République démocratique du Congo (RDC), mais transformé et vendu par la Chine.
DEPUIS QUAND L’UNION EUROPÉENNE
S’INTÉRESSE-T-ELLE AUX MATIÈRES PREMIÈRES CRITIQUES ?
En Europe, il existe depuis 2008 une initiative pour les matières premières et un partenariat d’innovation européen sur les matières premières. Ces structures définissent des priorités en termes de recherche et de développement industriel afin de garder le meilleur positionnement possible sur le marché des matières premières. Toutefois, en 2010, la Chine et le Japon ont connu un différend territorial concernant les îles Senkaku, situées en mer de Chine orientale entre les deux pays. La Chine a alors décrété un embargo sur l’exportation des terres rares vers le Japon, ce qui a fortement pénalisé l’industrie high-tech de ce dernier. Par la suite, la Chine a décliné cet embargo en quotas d’exportations vers le reste du monde. Cela a entraîné une forte hausse des prix des terres rares et une prise de conscience chez les pays touchés de leur dépendance. C’est à la suite de cette crise que la Commission Européenne a fortement renforcé son plan d’action avec la création de la première liste européenne des matières premières critiques. Liste qui a permis d’orienter une partie des financements de la recherche européenne (FP7 puis H2020 puis Horizon Europe) sur ces matières, et les terres rares en premier lieu.
QUELS SONT LES ENJEUX LIÉS À CES MATIÈRES PREMIÈRES CRITIQUES EN FRANCE ?
La France est principalement un pays importateur de produits semi-finis et finis. L’enjeu est donc non seulement de sécuriser les chaînes d’approvisionnement des métaux stratégiques que l’on retrouve dans ces produits mais aussi de maîtriser, à terme, les filières technologiques associées. Cela passe par exemple par la prise de parts dans des mines, la création de stocks stratégiques, ou le développement du recyclage, mais aussi par une relocalisation des industries de la transformation, à l’instar de ce qu’a fait la Chine. Le cas des aimants en est un exemple : en quarante ans, ce pays est ainsi passé de simple producteur de minerais de terres rares à premier fournisseur mondial d’aimants permanents.
Par ailleurs, l’importation et l’utilisation de certaines matières premières et des composants d’un pays dont on ne maîtrise ni la stratégie énergétique ni les conditions d’extraction pose la question de la maîtrise des impacts environnementaux (qui découlent notamment du mix énergétique choisi) et sociaux (qui concernent par exemple les conditions de travail des ouvriers).
Vidéo
Les matériaux critiques dans les smartphones
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La France, face à cette situation, souhaite sécuriser l’approvisionnement en métaux stratégiques, en particulier les batteries et les aimants en apportant son soutien aux industriels. L’objectif est de leur permettre :
* le développement des solutions techniques et technologiques sur le territoire afin de réduire cette dépendance,
* l’investissement dans des mines « responsables » avec des contrats à long terme
* ou encore la création d’un observatoire des métaux critiques.
VOIR AUSSI
* Tout s'explique : que contiennent nos smartphones ?
* Matériaux critiques : un enjeu de souveraineté
* Réutiliser ou recycler : choisir avec l'analyse du cycle de vie
* Les Défis du CEA n°244 : Matériaux critiques
* Les recherches du CEA sur l'économie circulaire des matières
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LA MÉCANIQUE DES FLUIDES |
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LA MÉCANIQUE DES FLUIDES
Réalisation : 18 juin 2005 - Mise en ligne : 18 juin 2005
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Descriptif
La dynamique des fluides est un sujet qui s'applique largement : en biologie, en géophysique et en astrophysique, en océanographie et en météorologie, ainsi qu'en génies chimique, nucléaire, aéronautique, hydraulique et en écologie. Dans tous ces contextes, le fluide, qui est soit en phase liquide, soit gazeuse, soit sous forme de plasma (gaz ionisé), est traité comme un milieu continu représenté par les champs de densité, de pression et de vitesse satisfaisant la fameuse équation de Navier-Stokes. Cette équation décrit des phénomènes se produisant sur une très grande gamme d'échelles de longueur, allant de l'échelle ‘sub-micron' des phénomènes biologiques à un extrême, jusqu'à l'échelle ‘super-parsec' des phénomènes cosmologiques et astrophysiques à l'autre. Nous présenterons un point de vue sur ces phénomènes et discuterons en particulier l'effet dynamo, qui correspond à l'auto-excitation du champ géomagnétique due aux mouvements se produisant dans le noyau liquide terrestre, problème classique pour lequel des progrès remarquables ont été réalisés depuis ces cinq dernières décennies. Deux aspects de ce problème peuvent être illustrés par des phénomènes analogues, mais plus simples, provenant de la dynamique des corps rigides. Tout d'abord, l'auto-excitation d'un champ magnétique dans un fluide conducteur est associée à la chiralité de l'écoulement turbulent, propriété que possède le ‘rattleback', toupie asymétrique qui présente un curieux comportement quand on la fait tourner sur une table. Nous montrerons ensuite que l'instabilité dynamo est dissipatrice par nature, car il faut de la dissipation par effet Joule pour permettre l'intensification du champ magnétique, ceci sur l'échelle du temps de dissipation qui est de l'ordre de 10,000 ans dans le contexte terrestre. L'instabilité dissipatrice peut être illustrée par le phénomène familier de ‘l'oeuf montant'. La conférence sera agrémentée par quelques démonstrations simples de ce genre d'instabilités.
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