Organoïdes sur puce DOSSIER - La mémoire MRAM - CEA
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LE MAGAZINE DE LA RECHERCHE IMPLIQUÉE
#249 – MAI / JUIN 2022
DOSSIER Tout s’explique
La mémoire
Regards croisés
Comment
Organoïdes MRAM
p. 27
limiter le
changement
sur puce climatique ?
p. 30
p. 17
2 LES DÉFIS DU CEA #249 LES DÉFIS DU CEA #249 3
SOMMAIRE #249 EURÊKA L’ACTU DES LABOS
EURÊKA DOSSIER MÉDECINE DU FUTUR
03 Astrophysique
La première image Organoïdes sur puce
du Webb
L’humeur de… 04 Télécommunications
Aude Ganier, rédactrice en chef Déclencheur d’avalanches
Du temps, il en faut aux
chercheurs pour découvrir 04 Photonique
après des décennies le fruit Au service de la réalité
de leur travail. Il en est ainsi augmentée
de la première image du 05 Épigénétique
télescope Webb ou de la première Les fœtus sont exposés
signature du boson de Higgs, aux phtalates
il y a dix ans déjà.
Il en faut également aux lecteurs 06 Biotechnologie
pour s’aventurer dans la À l’assaut de la maladie
© Webb/ Nasa
compréhension de mécanismes de Crohn
complexes et à des échelles
toujours plus petites : que cela 08 Stockage de l’énergie
soit celle de la spintronique et Des batteries plus sûres
de ses mémoires MRAM ou celle 09 Optique 17 Le pari des 23 Premiers succès
des vecteurs nanométriques Identification organoïdes sur puce
Entretien
ASTROPHYSIQUE
La première
de molécules thérapeutiques. bactérienne sur le terrain
En revanche, les experts du 20 La voie de 26 Questions d’éthique ↑
climat sont formels : nous 10 Physique l’industrialisation Ci-dessus
Étoiles et nuages de la galaxie
n’avons plus de temps à perdre des particules
image du Webb
Magellan observés par le satellite
pour mettre en œuvre de Boson de Higgs, REGARDS CROISÉS Spitzer (2009) à gauche, et par
nouveaux modes de vie une histoire de masse l’instrument Miri du télescope Webb
30 Comment limiter le (2022) à droite.
collectifs afin de se préparer changement climatique ?
au réchauffement climatique. Valérie Masson-Delmotte
MAKING-OF Une grande émotion s’est emparée tro-imageur du télescope dont la caméra pour pouvoir observer étoiles, nuages
et Laurent Gaudé des chercheurs à la réception Mirim a été réalisée sous maîtrise d’œuvre de gaz et poussières. La collaboration se
13 Coulisses d’un projet
Les matériaux face des premières images du ciel du CEA. Bien que l’observation n’ait duré consacre à présent aux tests des autres
TOUT S’EXPLIQUE du télescope Webb. Celle de son qu’une quinzaine de minutes et que le télé- modes d’observation de Miri. Car en plus
au plasma de fusion 27 Bienvenue
WWW.CEA.FR spectro-imageur Miri affiche chargement de l’image n’ait pas excédé de l’imagerie à proprement parler, l’instru-
Éditeur Commissariat à l’énergie atomique en spintronique une résolution inédite alors deux heures, l’attente fut insoutenable pour ment a été conçu pour générer les spectres
et aux énergies alternatives, R. C. S. Paris B77568019
Directrice de la publication Marie-Ange Folacci même que la phase de calibration les chercheurs impatients de découvrir le de la matière observée et pour réaliser de
Rédactrice en chef Aude Ganier
Rédactrice en chef adjointe Sylvie Rivière AGORA n’est pas encore terminée. fruit de décennies de travail. « J’ai été très la coronarographie. En d’autres termes,
A contribué à ce numéro Patrice Philippon
32 Les experts 34 Un nouvel acteur PAR AUDE GANIER ému. L’image a tout de suite été magnifique « éteindre » une étoile en occultant son
Comité éditorial Claire Abou, Luc Barbier,
Mathilde Costes-Majorel, Sophie Kerhoas, E lisabeth du climat à l’Élysée de l’hydrogène par sa qualité. C’est la première fois que l’on rayonnement éblouissant avec un masque,
Lefèvre-Rémy, Camille Giroud, Sophie Martin, Le lancement du télescope Webb le mer- obtient ce type d’images dans l’infrarouge afin d’étudier ce qui se situe autour d’elle.
Frédérique Tacnet, Valérie Vandenberghe
32 Pédagogie énergétique LE COIN credi 22 décembre 2021 fut un succès, tout avec une longueur d’ondes de 7,7 microns C’est en juillet que les images scientifiques
Iconographie Micheline Bayard 34 Gaz renouvelable : DES START-UP
Illustrations Jeremy Perrodeau (couverture, p. 27-29),
le CEA et GRDF comme le déploiement de son bouclier et avec une telle finesse, alors même que la seront communiquées et que débutera la
Marta Signori (p. 2, 30) 32 Alliance 35 Morphosence, thermique et l’insertion sur son orbite calibration de Miri n’est même pas encore « véritable » prise de données.
Conception et réalisation graphique,
pour le FD-SOI s’associent un œil numérique
secrétariat de rédaction Atelier Marge Design autour du point de Lagrange L2, trente terminée ! », confie Pierre-Olivier Lagage, « Les observations qui m’intéressent le plus
Impression Papier Arctic Volume White FSC. Stipa. sur les superstructures jours plus tard. Piloté depuis le sol par les astrophysicien au CEA-Irfu et responsable seront celles des exoplanètes, et notamment
Juin 2022 - No ISSN 1163-619X. Tous droits de 33 Pour un numérique
reproduction réservés. responsable collaborateurs de la mission, dont ceux scientifique de Miri pour la France. de Trappist 1b, prévues pour novembre »,
du CEA-Irfu, le démarrage progressif des
instruments commençait pour cinq mois. Le nuage de Magellan
indique Pierre-Olivier Lagage.
•
Alors ce 28 avril 2022, la tension était Cette image a en effet été prise dans le
ABONNEMENT ou en faisant parvenir par courrier Les Défis du CEA – Abonnements
palpable au centre de réception des don- cadre du réglage optique du Webb. Elle
GRATUIT SUR vos nom, prénom, adresse, profession CEA – Bâtiment Siège CEA-Irfu
nées à Baltimore (États-Unis), dans l’attente donne à voir une partie du grand nuage
bit.ly/abonnement-defis et tranche d’âge à : 91 191 Gif-sur-Yvette Institut de recherche sur les lois
du premier cliché du ciel par Miri, le spec- de Magellan, région de l’Univers choisie fondamentales de l’Univers (Saclay).
4 EURÊKA LES DÉFIS DU CEA #249 LES DÉFIS DU CEA #249 EURÊKA 5
TÉLÉCOMMUNICATIONS ÉPIGÉNÉTIQUE
Déclencheur Les fœtus sont
d’avalanches exposés aux phtalates
© D. Morel / CEA
Présenté au salon international quelques kilomètres et contrôlé via L’exposition aux phtalates pendant après l’accouchement). « Nous avons travaillé
Mountain Planet de Grenoble, un protocole de communication spé- la grossesse entraîne des modifications avec la partie embryonnaire du placenta, et donc
le système de déclenchement cifique. Ce dernier permet la synchro- épigénétiques sur l’ADN du fœtus, avec sur l’ADN du fœtus », précise Jorg Tost, chef de
sécurisé d’explosifs développé nisation très fine des détonateurs PHOTONIQUE de probables conséquences sur son laboratoire au CEA-Jacob.
développement. C’est ce que vient de
pour le domaine minier
pourrait être adapté au secteur
(jusqu’à 3 000, espacés de 1 à 1,5 m)
pour les déclencher simultanément Au service montrer une vaste étude épidémiologique. Une étude à grande échelle
Pour comprendre la portée de cette découverte,
de la réalité
PAR SYLVIE RIVIÈRE
alpin. ou avec des décalages programmés
PAR AUDE GANIER de l’ordre du dixième de seconde. La rappelons que l’épigénétique est un mécanisme
communication bidirectionnelle per- Shampoings, maquillage, meubles, peintures, essentiel qui régule l’expression de tous nos gènes1.
Comment synchroniser à distance
des milliers d’explosifs pour déclen-
met au système central d’interroger
en amont chaque détonateur afin de
augmentée jouets, emballages alimentaires, médicaments…
les phtalates, cette large famille de composés
L’une de ses manifestations les plus courantes
consiste en l’ajout de groupements méthyle (CH3)
cher artificiellement des avalanches, s’assurer de son état de fonctionne- chimiques, sont omniprésents dans les produits sur l’ADN. Ces petites « étiquettes biochimiques »
La photonique intégrée apportera-t-elle de notre quotidien, auxquels ils apportent sou- gênent ou facilitent l’accessibilité des gènes et
tout en sécurisant l’activité des pro- ment. Les chercheurs ont par ailleurs un bond technologique aux équipements
fessionnels de la montagne ? Avec le accordé une attention particulière plesse et transparence. Leur utilisation est néan- donc leur lecture. Ces phénomènes, qui peuvent
de réalité augmentée ? Un prototype de moins réglementée en raison de risques poten- être transitoires ou durables, font partie du fonc-
système sans fil de détonateurs en au codage des données pour qu’elles circuit photonique transparent développé
réseau développé par une équipe du
CEA-Leti ! Initialement conçu pour le
soient fiables et imperturbables.
• par le CEA-Leti le laisse envisager.
tiels de toxicité. Certains d’entre eux sont même
interdits dans l’Union européenne, par exemple
tionnement normal de l’organisme, mais sont
aussi impliqués dans de multiples pathologies.
PAR AUDE GANIER
domaine minier, au sein du labora- dans les jouets et articles de puériculture, ou « C’est la première fois qu’une étude à une telle
toire commun avec la société Davey encore dans les produits cosmétiques. Consi- échelle, c’est-à-dire répartie sur le génome entier,
Les solutions d’affichage au plus proche de l’œil sont dérés comme des perturbateurs endocriniens, est réalisée. Nous avons suivi 450 000 sites CpG, là
Bickford, il se compose de détona- actuellement très étudiées pour les applications de
teurs électroniques à modules radio ils sont en effet suspectés d’affecter la fertilité où ont lieu les méthylations de l’ADN. L’exposition
CEA-Leti réalité augmentée. Après avoir contribué à l’essor chez les hommes et le développement du fœtus. à des phtalates, dans la plupart des cas, augmente
bidirectionnels. Placés en surface, ils des microdiodes électroluminescentes organiques
Laboratoire d’électronique et Une vaste étude impliquant 202 femmes ces méthylations. Et parfois même, sur des sites
forment un réseau sans fil connecté de technologie de l’information (Microoled, voir Les défis du CEA n° 248), le CEA-Leti
à un système d’explosion situé à (Grenoble).
enceintes, à laquelle ont contribué des cher- identifiés comme étant associés au tabagisme
travaille sur un concept de rupture basé sur la photo- cheurs du CEA-Jacob, établit clairement le lien maternel », commente le chercheur. Pour les
nique intégrée, technologie communément utilisée entre l’exposition à des phtalates (mesurée dans scientifiques, il s’agit là d’une piste sérieuse qui
pour des applications de télécommunication. les urines) et des modifications épigénétiques pourrait être impliquée dans les effets néfastes
En général, les lunettes de réalité augmentée sont
constituées d’un écran qui crée une image, et d’un
dans l’ADN des cellules du placenta (prélevé juste des phtalates sur le développement du fœtus.
•
système optique de lentilles pour la projeter sur le
verre. Comment optimiser le volume, l’ergonomie
et l’esthétisme de ces dispositifs ? En se passant
du système optique. L’idée des chercheurs : proje-
ter directement l’image de l’écran en maîtrisant le LEXIQUE
trajet des photons dans le verre. Pour ce faire, ils CpG
sont parvenus à développer des guides d’onde en Site sur l’ADN constitué d’une
nitrure de silicium sur des substrats transparents, cytosine suivie d’une guanine,
lesquelles sont deux des quatre
par des techniques de lithographie classiques, et à
nucléotides de l’ADN (avec
les transférer sur une surface de verre par collage l’adénosine et la thymidine).
et polissage. Ils ont par ailleurs réussi à adapter ces L’ordre d’enchaînement de
composants photoniques pour les rendre compa- ces quatre nucléotides correspond
à l’information génétique.
tibles avec le guidage de lumière dans le spectre
visible (environ 530 nm) ; domaine qui impose des
contraintes fortes en termes de taille et de qualité
de finition.
• CEA-Jacob
© Star*Sailor / Flick’R
Institut de biologie
François Jacob
↑ (Fontenay-aux-Roses).
Ci-dessus
© iStock
Gravure d’un composant dans 1. Voir infographie
la plateforme photonique du CEA. dans Les défis du CEA n° 242.
6 EURÊKA LES DÉFIS DU CEA #249 LES DÉFIS DU CEA #249 EURÊKA 7
de chercheurs à élaborer une nouvelle stra- « Nous avons conçu,
tégie thérapeutique. « Nous avons conçu,
dans le cadre du projet européen NewDeal2, dans le cadre du projet
une nanothérapie délivrée par voie orale, européen NewDeal,
ciblant directement JAK 1 ou JAK 3, et ce une nanothérapie
au bon endroit, c’est-à-dire dans l’intestin »,
précise l’expert, qui est aussi le coordon- délivrée par voie orale,
nateur du projet. Ces deux enzymes sont ciblant directement
© CEA-Leti
impliquées dans l’activation de cellules de les enzymes JAK 1
la réponse immunitaire, mais dans les Mici,
elles sont exprimées en trop grand nombre ou JAK 3, et ce au bon
dans l’intestin, causant les phénomènes endroit, c’est-à-dire FOCUS
inflammatoires observés. dans l’intestin. » Lipidots® :
15 ans d’expertise
Fabrice Navarro, Les Lipidots®, technologie
ARN véhiculé par un Lipidot® chef de laboratoire
Pour les inactiver, les chercheurs ont choisi au CEA-Leti du CEA-Leti protégée par une
d’utiliser des petits morceaux d’ARN inter- quinzaine de brevets, sont
férents, qui agissent spécifiquement en blo- des vecteurs de molécules
quant le processus de fabrication de cha- rents milieux, puis la livraison de l’ARN thérapeutiques. Ces
cune des protéines. Ces ARN, très fragiles, dans l’intestin. D’autres, conduites in vivo dernières sont de préférence
© L. Godart / CEA
sont vite dégradés dans l’organisme. Tout chez la souris, ont confirmé la capacité de encapsulées à l’intérieur des
l’enjeu a donc été de les amener intacts à la nanoparticule à traverser les différentes vecteurs, mais peuvent aussi
bon port, grâce à un vecteur performant – le barrières biologiques, à entrer dans les être greffées à leur surface.
Lipidot® – inséré dans une enveloppe de cellules inflammatoires de l’intestin, puis L’un des développements les
protection. « Il s’agit d’un système de déli- à y délivrer les ARN interférents, dont l’ef- plus récents vise à élaborer
vrance innovant de molécules thérapeu- ficacité sur l’inhibition de synthèse de la un vaccin contre la Covid-19,
↑
Ci-dessus BIOTECHNOLOGIE tiques conçu au CEA-Leti, sur lequel nous protéine JAK a elle aussi été démontrée. par greffage sur les Lipidots®
d’ARN messagers permettant
À l’assaut
Laboratoire du CEA-Leti
avons une expertise de près de quinze ans »,
où sont conduites les recherches ajoute Fabrice Navarro. Ces particules sont Préparer le futur essai clinique la synthèse d’une des
sur les Lipidots®. des billes d’huile de taille nanométrique L’équipe a même testé son traitement sur protéines de surface du virus
(10-9 m). Très stables et bien tolérées par un organoïde humain d’intestin proposé SARS-Cov-2 (responsable
de la maladie
→→ de la maladie). Le CEA-Leti
l’organisme, elles ont la capacité de péné- par l’hôpital clinique de Barcelone. « Nous
À droite
trer aisément dans les cellules, par affinité avons travaillé sur la protéine JAK 1. Nous prépare également la montée
Représentation des Lipidots®
dans le circuit sanguin. avec les lipides de leurs membranes (voir obtenons bien une diminution notable de en échelle de la production
de Crohn
focus). sa production et de l’inflammation associée. de ses Lipidots®. En
L’efficacité est donc ici prouvée, tout comme partenariat avec GTP-Nano,
Une stratégie thérapeutique efficace la très grande spécificité de la stratégie un sous-traitant pour l’industrie
C’est à la surface de ces Lipidots® que les basée sur les ARN interférents », conclut pharmaceutique, il développe
LE X IQUE Des chercheurs, réunis au sein du logies, caractérisées par une inflammation petits brins d’ARN interférents, préparés le chercheur. des procédés de fabrication
ARN interférent projet européen NewDeal, proposent de la paroi de l’intestin, peuvent être très et sélectionnés pour leur efficacité par le Avec ces preuves de concept, la première en environnement industriel.
Les ARN interférents régulent une thérapie inédite pour traiter les invalidantes. » Aucun traitement curatif CEA-Irig, ont été disposés. Le tout a été marche sur le long chemin menant à l’élabo- Un premier pas a d’ores et déjà
le processus de synthèse des été franchi avec des lots allant
maladies inflammatoires chroniques n’existe à ce jour. Seuls des médicaments inséré dans une capsule polymérique ration d’un médicament est donc franchie.
protéines dans la cellule. Lorsqu’une jusqu’à 500 ml. Les étapes
protéine doit être fabriquée, le gène de l’intestin, comme la maladie de atténuant les symptômes ou prévenant développée par l’industriel Seps Pharma, L’heure est désormais à la recherche d’un
correspondant est lu et copié sous Crohn. Les premiers résultats, issus l’apparition des crises aigües, comme les également partenaire du projet. Son rôle ? industriel partenaire pour financer et lan- suivantes, comprenant des
la forme d’un brin d’ARN messager de tests in vitro et précliniques, corticoïdes, sont proposés aux patients. Passer sans encombre le milieu acide de cer l’étape suivante, celle de l’essai clinique, volumes de plusieurs litres,
(ARNm), lui-même lu à son tour
sont prometteurs. « L’arrivée d’anticorps thérapeutiques il y l’estomac, puis se dissoudre dans l’intestin c’est-à-dire chez l’humain. Et pour se don- sont en préparation.
pour permettre la fabrication de la
protéine. Les quantités d’ARNm sont PAR SYLVIE RIVIÈRE a une vingtaine d’années, la première géné- pour y délivrer ses « colis ». ner toutes les chances d’aboutir, l’équipe
régulées par des ARN interférents : ration de médicaments biologiques, fut une Après quatre années de R&D, le projet New- a déjà validé les études de toxicité chez le
les seconds viennent se greffer aux Plus de 3 millions de personnes en Europe, révolution. Toutefois, ils ne ciblent souvent Deal livre des résultats très prometteurs, rongeur et préparé une première ébauche
premiers, conduisant à la destruction
dont 200 0001 en France, souffrent de Mala- qu’un médiateur de l’inflammation, et leur que Fabrice Navarro, enthousiaste, résume de dossier réglementaire pour le lancement
•
des ARNm par la cellule, et donc à
l’arrêt de la production de la protéine
dies inflammatoires chroniques de l’intes- efficacité décroît au cours du temps chez un ainsi : « Non seulement nous obtenons une de l’essai clinique. CEA-Leti
en question. tin (Mici). Et leur incidence est en hausse, grand nombre de patients. » délivrance de l’ARN au bon endroit, mais il y Laboratoire d’électronique
notamment chez les sujets jeunes. « Les arrive intact et induit la réponse attendue ». et de technologie de l’information
Organoïde formes les plus courantes sont la maladie de Nouvelle stratégie Des expériences in vitro ont notamment (Grenoble).
Système auto-organisé de cellules
Crohn et les colites (inflammations du colon) De récentes découvertes, pointant le rôle montré, grâce à un dispositif mimant le
en 3D, représentatif de l’architecture 1. Source : Inserm, chiffres de 2015. CEA-Irig
et du fonctionnement d’un organe ulcératives, commente Fabrice Navarro, des enzymes JAK 1 et JAK 3 dans ces patho- transit gastro-intestinal, la stabilité de la 2. NewDeal (2017-2021) : 12 partenaires, 5 pays, lnstitut de recherche
(voir le dossier dans ce numéro). chef de laboratoire au CEA-Leti. Ces patho- logies, ont poussé il y a cinq ans un collectif coque polymérique au passage des diffé- 4 ans, 6 M€ de budget. interdisciplinaire de Grenoble.
8 EURÊKA LES DÉFIS DU CEA #249 LES DÉFIS DU CEA #249 EURÊKA 9
→
Ci-contre OPTIQUE
Identification
Différents packs batteries CEA-Leti
assemblés au CEA-Liten. Laboratoire d’électronique
et de technologie de
bactérienne sur le terrain l’information (Grenoble).
CEA-Irig
lnstitut de recherche
Avec ses partenaires, le CEA développe les bactéries présentes. « Nous devons d’abord interdisciplinaire
un outil de diagnostic pour les maladies étoffer notre base de données, celle qui relie chaque de Grenoble.
infectieuses bactériennes, robuste espèce bactérienne à sa signature optique. Il nous
et peu onéreux, à destination des pays faut notamment intégrer un grand nombre de
d’Afrique en développement. prélèvements pour tenir compte de la variabilité
PAR SYLVIE RIVIÈRE biologique des échantillons de patients », détaille
Sophie Morales.
Tous les laboratoires d’analyse de la planète ne
disposent pas des coûteux spectromètres de Tropicaliser l’appareillage
© D. Guillaudin / CEA
masse nécessaires à l’identification des bactéries De leur côté, les experts en photonique du CEA-
responsables de maladies infectieuses. Loin s’en Irig se chargent de développer un système d’ima-
faut. C’est le cas notamment dans de nombreux gerie sans lentille à plus large champ, capable
pays d’Afrique en développement. Or, comme le d’analyser le contenu d’une boîte de Petri (d’envi-
rappelle Sophie Morales, cheffe de laboratoire au ron 10 cm de diamètre) en quelques acquisitions.
CEA-Leti, « il est toujours important d’identifier L’appareillage devra en outre être « tropicalisé »,
STOCKAGE DE L’ÉNERGIE au plus tôt la bactérie responsable d’une infection autrement dit rendu résistant à la poussière et à
chez l’humain, de façon à basculer le plus vite l’humidité. Les tests dans des hôpitaux au Bur-
Des batteries plus sûres
↓
possible d’un antibiotique à large spectre vers un kina Faso et au Bénin sont programmés pour le Ci-dessous
Prototype d’imageur sans
autre à spectre étroit. Ceci pour éviter l’apparition début 2023. Et à terme, de nouvelles applica-
lentille pour le projet Simble,
La sécurité des batteries lithium-ion, thermique, mais aussi d’en détecter les premiers d’antibiorésistances, un fléau de santé publique ». tions pourraient bien voir le jour dans d’autres adapté à la lecture d’une
susceptibles de s’enflammer, est un sujet signes », indique Olivier Masson, ingénieur au Le projet multipartenaires Simble, auquel parti- domaines, y compris en Europe.
cipent les instituts Leti et Irig du CEA, veut chan-
• boîte de Petri.
majeur de recherche pour les industriels. CEA-Liten. La première étape a consisté à chan-
Des chercheurs du CEA-Liten et leurs ger leur boîtier métallique par une structure plus ger la donne. L’objectif ? Développer un système
partenaires proposent un nouveau boîtier, légère. Le choix s’est porté sur un matériau com- d’identification bactérienne de terrain, facile
équipé de capteurs souples imprimés. posite à matrice polymère, avec un design adapté d’utilisation et à bas coût, pour les hôpitaux et
PAR SYLVIE RIVIÈRE en forme, épaisseur, renforts, etc. Les ingénieurs les dispensaires. « Nous allons nous focaliser sur le
y ont ensuite inséré deux types de capteurs, de diagnostic des septicémies, une source importante
Dans les smartphones, appareils photos, outils température et piézoélectriques, ces derniers de décès dans le monde », précise la chercheuse.
sans fil, voitures et vélos électriques… les batteries étant utilisés en mode acoustique pour repérer la
lithium-ion sont partout. Mais, et c’est leur point signature d’un emballement. « Ces capteurs sont Un imageur sans lentille
faible, elles peuvent « s’emballer », avec son lot imprimés sur des feuillets polymères. Peu chers, Le dispositif repose, entre autres, sur une tech-
de conséquences : dégagement de gaz toxiques, ils sont légers et souples. Ce qui nous a permis de nologie d’imagerie très simple, sans lentille,
feu, voire explosion ! Ce phénomène survient en les placer à l’intérieur des boîtiers, au niveau des développée au CEA. Dans ces microscopes, les
cas de défaut interne ou d’agression extérieure bornes des batteries », précise Cédric Ducros, du micro-organismes sont illuminés par une source
(thermique, mécanique, surcharge, court-circuit, CEA-Liten. Mieux, et c’est une première, ils ont LED. La lumière diffusée par les colonies est enre-
etc.), lorsque démarrent des réactions chimiques pu être intégrés au sein même du matériau com- gistrée par un capteur CMOS, du même type que
entraînant une montée brutale en température, posite, lors de son élaboration. Ceci sans altérer ceux des téléphones portables. L’image acquise
jusqu’à un point de non-retour. Des millions de ses propriétés thermomécaniques ! est ensuite analysée par des algorithmes d’in-
téléphones et d’ordinateurs portables ont ainsi été telligence artificielle, de manière à identifier
rappelés ces dernières années par les construc- Prévenir l’emballement avec des capteurs
teurs. En 2013, des batteries ont même provoqué Ainsi reconditionnés, les packs batteries ont « Nous allons
des débuts d’incendie dans deux Boeings 787, été allégés de 15 % en poids. Et les capteurs ont
heureusement au sol et sans passagers. parfaitement joué leur rôle de détection précoce nous focaliser sur
lors des tests d’emballement thermique menés le diagnostic des
Une coque en matériau composite sur les bancs d’essai du CEA. « Aujourd’hui, ces septicémies, une source
CEA-Liten « Avec mes collègues de trois départements de prototypes nous permettent surtout d’étudier la
Laboratoire d’innovation l’institut, et dans le cadre du projet européen réponse de nos capteurs afin de mieux prévenir ces importante de décès
pour les technologies
des énergies nouvelles
Oasis, nous avons réfléchi à un nouveau pack de phénomènes d’emballement, commente Cédric dans le monde. »
batteries capable non seulement de résister aux Ducros. Mais à ce stade, la transformation vers
© CEA
et les nanomatériaux
•
Sophie Morales,
(Grenoble). sollicitations thermomécaniques de l’emballement un produit industrialisable est prématurée. » cheffe de laboratoire au CEA-Leti
10 EURÊKA LES DÉFIS DU CEA #249 LES DÉFIS DU CEA #249 EURÊKA 11
←
Ci-contre
Les particules du modèle standard.
←←
À gauche
4 juillet 2012, l’annonce de la
découverte du boson de Higgs par
les expériences CMS et Atlas du LHC.
FOCUS
Mesures et incertitudes
Détecter le boson de
Higgs, lequel se désintègre
instantanément, revient
à détecter le fruit de sa
désintégration, sa signature
en quelque sorte. Le modèle
© Les défis du CEA - 2012
standard en prédit plusieurs :
par exemple en 4 muons,
2 photons, 2 quark b, etc.
L’expérience consiste à simuler,
un par un, tous ces modes de
© Cern
désintégration afin de prédire
ce que l’on s’attend à observer.
PHYSIQUE DES PARTICULES rable de données pour être confiants dans nos s’écroulait ! C’est pour le “sauver” qu’a été
Ensuite, cette « observable » est
comparée à ce qui est mesuré
Boson de Higgs,
résultats », précise le scientifique. Et c’est inventé le boson de Higgs en lui octroyant
par le détecteur. Soit mesure
avec un niveau de confiance dit de 5 Sigmas la fonction de conférer une masse à toutes
et simulation concordent,
(c’est-à-dire avec une probabilité de se trom- les particules interagissant avec lui. Et cette
signe que le modèle théorique
per de 0,00003 %), minimum requis par la même théorie d’introduire que les masses du
une histoire de masse
sous-jacent est bien compris
physique des particules pour annoncer une boson de Higgs, du boson W et du quark top
et complet, soit, elles sont en
découverte, que les chercheurs ont identifié sont mathématiquement liées ». À partir des
désaccord. Par exemple,
le boson de Higgs. En dix ans au LHC, ils années 2000, les masses du boson W et du
trop ou pas assez de
sont parvenus à en « produire » des millions. quark top étant connues, les chercheurs
désintégrations en 4
À l’heure où les dix ans de la celui, infiniment petit, des particules élé- particules, lequel implique le boson de Higgs. Ce qui représente pourtant une faible quan- savaient où aller « chercher » le Higgs, à
muons sont observées.
découverte du boson de Higgs mentaires, dont la théorie et l’expérience Mais nous espérions presque ne pas le trouver tité pour mesurer ses paramètres avec une savoir entre 110 et 160 GeV. De fait, il fut Cela pourrait provenir des
sont célébrés, la nouvelle mesure se disputent l’orchestration. Il est aussi le car cela aurait acté l’incohérence du modèle précision suffisante, et ainsi répondre à des détecté autour de 125 GeV au LHC et il est incertitudes (expérimentales
de la masse d’un autre boson vient théâtre des mathématiques et de la phy- standard et donc l’existence d’une nouvelle questions fondamentales. Questions ravi- aujourd’hui mesuré par le détecteur Atlas et/ou théorique) ou de la
chahuter le « modèle standard » sique que de brillants passionnés manient physique au-delà », confie Fabrice Couderc, vées par un récent résultat publié en avril à 124,97 GeV, avec une précision de 0,2 % ; manifestation d’une nouvelle
de la physique des particules. inlassablement en vue d’écrire LA formule, physicien au CEA-Irfu ayant participé à sa 2022, celui de l’expérience CDF du Fermilab tandis que CMS le détecte à 125,35 GeV avec physique, au-delà du modèle
Modèle dont la cohérence avait celle qui unirait toutes les interactions fon- découverte. Qu’entend-il par « trouver » ? (États-Unis) révélant une déviation de la une précision de 0,1 %. standard.
précisément été préservée par damentales dont la gravitation. mesure de la masse du boson W par rapport Prêtons attention à ce « lien mathématique »
l’invention du boson de Higgs. Pour l’heure, et alors que 95 % du contenu Produire des bosons de Higgs à celle prédite par le modèle standard. entre les masses du Higgs, du W et du top, LEXIQUE
Que sait-on aujourd’hui du « Higgs » ? en énergie de l’Univers demeurent incon- La quête des chercheurs a consisté à provo- signifiant logiquement que la déviation de Particules élémentaires
Que reste-t-il à découvrir ? Le modèle nus, ces particules élémentaires et les inter- quer des collisions de particules (des pro- Conférer leur masse aux particules la mesure de l’une se répercute sur celle Particules ultimes de la matière,
briques de base du modèle standard
standard tourne-t-il si rond ? Autant actions fondamentales qui les lient sont tons), circulant en sens opposés dans le LHC Mais revenons aux débuts. Dans les années des autres. Or, l’expérience CDF vient de
(6 quarks, 6 leptons, 4 bosons
de questions qui mobilisent les décrites par le modèle standard de la phy- à des vitesses et donc des énergies telles 1960, il est admis que les particules vectrices mesurer, après une décennie d’analyses des vecteurs et le boson de Higgs).
chercheurs, à l’affût du moindre signe sique des particules. Et c’est pour en assurer (entre 7 et 13 TeV) que leurs collisions pro- des interactions fondamentales, les bosons données simulées et recueillies, la masse
de la fameuse nouvelle physique. Bref la cohérence que le boson de Higgs a été duisent d’autres particules, dont le boson de vecteurs donc, sont de masse nulle. Ce qui du boson W à 80,43 GeV, contre les 80,36 Interactions fondamentales
Force électromagnétique, force
aperçu… femtométrique ! introduit théoriquement en 1964 par Brout, Higgs, qui se désintègrent aussitôt qu’elles est le cas des photons (responsables de la GeV prévus par la théorie, avec une préci-
nucléaire forte, force nucléaire faible.
PAR AUDE GANIER Englert et Higgs1. Avant d’être découvert le surgissent. D’où l’extrême difficulté de les force électromagnétique), des gluons (force sion de 0,01 %. De quoi balayer le modèle
4 juillet 2012 au Cern (Suisse) dans les détec- détecter. Sans oublier que ces collisions nucléaire forte), et devrait l’être pour les standard ? Ou serait-ce une erreur ? Bosons vecteurs
C’est un monde où la masse se mesure en teurs Atlas et CMS de l’accélérateur LHC, obéissent à la mécanique quantique et bosons W et Z (force nucléaire faible). Or, Particules vectrices des interactions
énergie, celle de l’électron-volt (eV). Un qui ont bénéficié de l’expertise des équipes sont donc sujettes aux variations statis- quelle ne fut pas la surprise de la commu- De la mesure dans la mesure ! fondamentales par lesquelles les
particules élémentaires interagissent
monde où la durée de vie s’exprime non pas du CEA-Irfu (voir focus p. 12). « On ne va pas tiques. « Pour des phénomènes peu probables nauté en découvrant que ces deux bosons « Il faut savoir que toute mesure est entachée
et s’assemblent parfois pour former
dans le temps mais dans l’espace, de l’ordre se mentir ! Avec le LHC, nous savions que comme la production d’un boson de Higgs, avaient une masse, tel que l’exprime le phy- d’une incertitude. C’est un principe de base », différentes particules composites
du femtomètre (10-15 m). Car ce monde est serait élucidé le mécanisme de la masse des nous avons donc besoin d’un volume considé- sicien : « Catastrophe, le modèle standard insiste Fabrice Couderc. Et cette incertitude comme les protons ou les atomes.
12 EURÊKA LES DÉFIS DU CEA #249
peut résulter de différents pans de l’ex- des autres particules du modèle standard.
MAKING-OF
FOC U S
Le CEA et le LHC périence : effectuer une mesure consiste Une façon d’expliquer cette masse légère
COULISSES D’UN PROJET
L’expertise scientifique, à simuler les collisions et les modes de appelle la nouvelle physique. Plusieurs
technologique et technique désintégration des particules à partir des modèles théoriques, intégrant le modèle
du CEA-Irfu a été sollicitée par connaissances théoriques ; puis à simuler standard, proposent en effet différents
le Cern dès la conception du l’interaction de ces particules avec le détec- types de symétrie, comme la « super-
LHC. Depuis les années 1990,
le CEA a ainsi investi l’équivalent
teur lui-même ; et enfin à confronter les symétrie » qui serait un super bouclier !
observations aux simulations. L’incertitude Les matériaux face
au plasma de fusion
de 14 hommes-siècle (14 peut dès lors être d’ordre expérimental, par Le Higgs hermaphrodite2
hommes à plein temps pendant exemple provenir d’une mauvaise calibra- Il n’empêche, les physiciens doivent conti-
100 ans). Au plus fort de l’activité, tion du détecteur par rapport à la simula- nuer d’affiner la mesure du boson de Higgs
200 personnes sur les 600 de tion. Elle peut aussi résulter de la simula- à travers l’étude de ses interactions avec
l’institut se sont impliquées tion des prédictions théoriques, ou encore toutes les particules. Et l’une d’elles, éga- Des programmes de Le défi est immense, Dans la plateforme
pour concevoir des pièces souligner une faille voire un manque dans lement prédite dans le modèle standard, recherche très ambitieux à la fois scientifique et d’essais Hades du CEA-
maîtresses et leur électronique l’ensemble des désintégrations simulées leur demeure inconnue, « du moins, nous ne sont menés à travers le technologique. Car il s’agit IRFM, les chercheurs
associée : le solénoïde et le (voir focus p. 11). À ce stade, et au nom de l’avons jamais observée », tempère le cher- monde pour domestiquer de faire fusionner des se concentrent sur la
calorimètre du détecteur CMS ; la démarche scientifique, la déviation de cheur. Il s’agit de l’interaction du boson de la fusion thermonucléaire, noyaux de tritium et de qualification des matériaux
le toroïde et le spectromètre la mesure de la masse du boson W doit être Higgs avec lui-même. Cela sera d’ailleurs l’une des options envisagées deutérium – des isotopes et des composants internes
à muons du détecteur Atlas. confirmée par une autre expérience. Ce à l’une des missions du prochain accéléra- pour produire de l’énergie de l’hydrogène – sous des réacteurs de fusion
Elles ont également contribué quoi s’attelle le CEA depuis de nombreuses teur HL-LHC que d’aller la détecter (voir décarbonée à grande échelle. réserve de porter le mélange (appelés tokamaks). Situés
aux aimants de l’accélérateur, années : « Nos collègues de l’expérience Atlas focus ci-contre). à plus 100 millions de ° C directement face au plasma,
à sa cryogénie, sans oublier mesurent avec une minutie remarquable Pour préparer la nouvelle expérience, les pour le transformer en leur température dépassera
la physique des particules. la masse du boson W. Ils ont publié leurs chercheurs commencent à simuler cette plasma, état de la matière les 1 000 °C. Des contraintes
Aujourd’hui, une centaine de premiers résultats en 2017 et obtenu une interaction appelée auto-couplage du constitué d’atomes ionisés très sévères auxquelles ils
physiciens de l’Irfu poursuit la précision de 0,02 % sur sa masse avec le boson de Higgs. Et, la mécanique quan- et de particules chargées. devront résister.
collaboration dont une dizaine tout premier lot de données du LHC. Mais tique étant ce qu’elle est, ils s’autorisent La réaction de fusion qui →
directement au Cern. la tâche s’annonce ardue tant le niveau de à le faire avec un Higgs à la masse élevée, se produit alors génère des REPORTAGE RÉALISÉ
PAR SYLVIE RIVIÈRE (TEXTE)
précision de la mesure de CDF, à 0,01 %, est un Higgs virtuel ! Explication : en physique atomes d’hélium et des ET LAURENCE GODART
impressionnant », salue-t-il. des particules, une particule donnée n’ap- neutrons de forte énergie. (PHOTOS)
FOC U S
paraît pas toujours exactement avec la
Vertigineuse luminosité
Massif le Higgs ? même masse car cette masse n’a pas une
Le High-luminosity LHC, dont
Autre question fondamentale qui perdure valeur unique. Il existe un continuum de
le démarrage est prévu en 2029,
depuis 2012 : pourquoi le boson de Higgs valeurs possibles mais toutes ne se valent
devra permettre d’accroître
est-il si léger ? Rappelons que la théorie pos- pas, certaines sont beaucoup plus probables
d’un facteur 10 la luminosité
tulait des bosons vecteurs de masse nulle que d’autres. La masse que nous attribuons
du LHC, c’est-à-dire le nombre
alors que les bosons W et Z sont massifs : à une particule est celle du maximum de
de collisions de particules. Il
« En réalité, leur masse est intrinsèquement probabilité, qui prend la forme d’un pic
produira par exemple 15 millions
nulle mais ils nous apparaissent massifs sur la courbe de ces valeurs. « Pour le dire
de bosons de Higgs par an,
en raison de leur interaction avec le boson autrement, le pic de la masse du boson de
contre 3 millions en 2017. Des
de Higgs », explique Fabrice Couderc qui Higgs se situe à 125 GeV. Mais il peut se mani-
chiffres vertigineux qui n’en
précise qu’une masse de l’ordre de la cen- fester à des masses beaucoup plus élevées,
demeurent pas moins faibles au
taine de GeV est très faible par rapport aux ce qui lui permet de se désintégrer alors en
regard du nombre de collisions
énergies en jeu aux premiers instants de deux autres bosons de Higgs, signant son
dans le LHC, à savoir 1 milliard
l’Univers. « Elles se situent au niveau de ce interaction avec lui-même. Il s’agit là d’un
par seconde ! C’est dire combien
que l’on nomme l’énergie de Planck qui est phénomène très rare pourtant au cœur du
le Higgs est rare !
de l’ordre de 1019 GeV alors que celle du LHC modèle standard », ajoute Fabrice Couderc.
LE X IQUE est inférieure de seize ordres de grandeur, Et l’on retrouve alors le principe d’indéter-
Indétermination d’Heisenberg soit à 103 GeV. » mination d’Heisenberg qui permet de tout
Principe stipulant que l’énergie et
la durée de vie (désintégration) d’une
Mais pourquoi s’interroger sur le fait que imaginer et de tout inventer.
le Higgs est si léger ? C’est là qu’intervient
•
particule ne peuvent être mesurées la notion de symétrie (de jauge) à laquelle 1. Englert et Higgs sont lauréats du prix Nobel
de façon parfaite en même temps.
obéissent les bosons. En gros, cette symé- de physique de 2013 (Brout étant décédé en 2013,
trie agit comme un bouclier pour protéger le prix n’a pu lui être attribué, conformément
la masse intrinsèquement nulle des bosons. à la règle).
CEA-Irfu 2. Expression du physicien franco-canadien
Or, le Higgs ne possède pas cette symétrie
Institut de recherche sur Yves Sirois pour expliquer que le boson de Higgs
les lois fondamentales de et, d’un point de vue théorique, sa masse peut donner « naissance » tout seul à deux
l’Univers (Saclay). devrait être très élevée par rapport à celle bosons de Higgs !
14 MAKING-OF LES DÉFIS DU CEA #249 LES DÉFIS DU CEA #249 MAKING-OF 15
1 2 3 4
E N IM AG ES EN IMAGES
1 2 3 4
1 Composants élémentaires 3 Canon à électron (bloc
du divertor (voir focus), montés rouge). Au-dessus, des hublots
en parallèle pour un test dans Les composants La chambre Le canon Campagnes permettent de positionner
Hades. Le divertor de West face au plasma d’expérience à électrons et résultats les instruments de mesure
comportera près de 500 de ces optiques (pyromètres, caméra
éléments. Et celui d’Iter, 2 000. visible et infrarouge, etc.).
« Face au plasma dans un « Le volume de la « Basée sur une source de « Nous étudions
2 Introduction d’un montage
de plusieurs composants dans
tokamak, les composants chambre d’expérience chaleur générée par un les limites en fatigue 4 Pilotage du faisceau, suivi
de la campagne expérimentale
la chambre d’expérience (entrée subissent des flux de d’Hades, 8 m3 sur 3 m de canon à électrons, Hades thermomécanique des et de l’acquisition des
circulaire à droite et photo p. 13). données en salle de contrôle-
chaleur environ 20 fois long, permet d’accueillir est la seule installation composants face au commande.
plus intenses que ceux des composants à à haut flux de ce type en plasma, et les poussons
FOC U S
relevés au dôme des échelle 1. » France. Il en existe moins même au-delà de leurs FOCUS
Les installations
pour étudier la fusion, navettes spatiales entrant Adrien Bureau, responsable de la maintenance d’une dizaine dans le limites opérationnelles. » Le divertor
en France : dans l’atmosphère. » monde. » Nicolas Vignal, opérateur principal
Le divertor en tungstène
• West (Cadarache) : Dans la chambre d’expérience sous vide constitue le plancher des
Marc Missirlian, chef de groupe Hélène Roche, responsable de la plateforme
réacteur expérimental de Hades, les composants, connectés Chaque expérience débute par une phase réacteurs expérimen-
de recherche du CEA à une boucle à eau pressurisée, sont de configuration des sous-systèmes d’Hades taux de fusion nucléaire
Lorsque les chercheurs parviendront soumis localement à des conditions Pour reproduire leurs conditions d’usure, comme West et Iter. C’est
opérationnel depuis à maintenir un plasma dans un les composants sont soumis à des séries de (vide, refroidissement, capteurs…) et du
décembre 2016, destiné opératoires représentatives de celles pilotage par automate. Lors des campagnes le composant face au
tokamak, les composants qui y feront rencontrées dans un réacteur de fusion cycles thermiques – 10 s de flux de chaleur, plasma le plus exposé
à tester les composants- face devront rester à des températures suivis de 10 s d’arrêt, et cela 1 000 fois de expérimentales, les équipes testent les
clés qui seront mis en ou tokamak (thermohydraulique, dépôt composants clés dits à haut flux, comme aux flux de chaleur
« raisonnables ». Pour cela, ils sont de flux). De nombreux instruments de suite, voire plus selon les expériences – (jusqu’à 20 MW/m2) et de
œuvre dans le réacteur constitués d’un assemblage de grâce à un canon à électrons. Optimisé ceux du divertor de West et d’autres
Iter. mesure (thermocouples, pyromètres, éléments de la paroi interne. Ils réalisent particules générés par la
matériaux : du tungstène, et un matériau caméra infrarouge, etc.) permettent de pour Hades, celui-ci est de forte puissance fusion. Activement refroidi,
• Iter (Cadarache) : réac- « puits de chaleur » en contact avec un (150 kW max.) et dispose d’un faisceau de aussi les tests de prototypes de divertor pour
teur expérimental inter- contrôler différents paramètres du test une future installation industrielle et ceux il a notamment pour
fluide caloporteur sous pression (eau et de suivre les températures tout au 10 mm de diamètre. Envoyé en balayage fonction d’extraire les
national impliquant 35 ou gaz) dont le rôle est d’extraire en très rapide (fréquence de 10 kHz, avec un de matériaux avancés (nouveaux alliages,
pays, qui devrait produire long de l’expérience : dans le fluide de fabrication par impression 3D, etc.). Les atomes d’hélium produits
continu la chaleur générée. Différentes refroidissement circulant à l’intérieur angle de tir de +/- 25°) grâce à un système et d’évacuer une partie de
son premier plasma fin expériences visent à optimiser cet automatisé de bobines magnétiques, il campagnes s’étalent sur une ou plusieurs
2025. Enjeu : démontrer des composants, pour évaluer la chaleur semaines et génèrent d’importantes la chaleur générée.
assemblage pour augmenter sa capacité évacuée ; à la surface de la zone chauffée ; permet de générer de manière homogène
la faisabilité de la pro- d’extraction de chaleur, améliorer et quasi instantanée une densité de flux de quantités de données, suivis de longs mois
duction d’énergie grâce sur des zones très localisées pour suivre de post traitement et d’interprétation. En
les liaisons entre ses matériaux, et avec précision un point particulier ou plusieurs dizaines de MW/m2 en continu
à la fusion. Iter ouvrira trouver des matériaux résistants à sur les composants. De quoi chauffer des fonction des résultats, les équipes valident
la voie à la construction vulnérable, etc. Une caméra visible ou optimisent le design des composants,
l’environnement fortement irradié permet l’observation des états de surface surfaces allant jusqu’à 150 cm2. CEA-IRFM
de prototypes industriels par les neutrons d’un futur tokamak. les techniques d’assemblage entre les
(endommagements, microfissures, etc.). Institut de recherche sur
de centrale à fusion, différents matériaux ou encore les limites la fusion par confinement
à l’horizon 2040. opérationnelles des composants. magnétique (Cadarache).
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