202

SOMMAIRE

Présentation du LAPP ........................................ 2

Les expériences au LAPPAMS ........................................................................ 4ATLAS ...................................................................... 6Astronomie Gamma ............................................... 8 LHCb ..................................................................... 10Neutrinos .............................................................. 12Virgo ..................................................................... 14Futurs Collisionneurs ............................................ 16

Transmission des savoirs ........................................ 18Diffusion de la culture scientifique et technique .... 19

Les services support Service électronique ............................................. 20Service mécanique ................................................ 21Service informatique & Plateformes .................... 22Service administratif ............................................. 24

Glossaire .............................................................. 25

Histoire du LAPP - 40 ans de découvertes ........... 26

LE LAPP

Au LAPP, environ 140 personnes (chercheurs , doctorants , ingénieurs, techniciens et personnels administratifs) participent à des recherches ayant pour objet l’étude des constituants ultimes de la matière et de leurs interactions fondamentales, ainsi que l’exploration des connexions entre l’infiniment petit et l’infiniment grand.

Créé en 1976, le Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de Physique des Particules (LAPP) est une Unité Mixte de Recherche (UMR 5814) dépendant du CNRS et de l’Université Savoie Mont Blanc. Il fait partie de l’Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (IN2P3), institut qui coordonne la recherche en physique nucléaire, en physique des particules et astroparticules et les développements associés.

202

3 CHERCHER ∙ DÉCOUVRIR ∙ COMPRENDRE

C’est au sein de collaborations internationales, regroupant des centaines voire des milliers de chercheurs, que les équipes du LAPP poursuivent des programmes expérimentaux auprès des grands accélérateurs ou des grands instruments dédiés à l’observation des signaux en provenance du cosmos.

Ces expériences très complexes ont une durée de vie pouvant atteindre plusieurs décennies et font appel à des technologies de pointe dans les domaines de l’électronique, de l’informatique et de la mécanique.

Situé sur le campus universitaire d’Annecy-le-Vieux, le laboratoire bénéficie de la proximité stratégique du CERN, le plus grand laboratoire de physique des particules qui se trouve à Genève, en Suisse.

Le LAPP collabore avec le Laboratoire de Physique Théorique (LAPTh) implanté dans les mêmes locaux à Annecy-le-Vieux, mais aussi avec d’autres laboratoires régionaux comme le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) ou le Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC), situé à Grenoble. Issu de ces collaborations, le projet ENIGMASS a reçu le label « Laboratoire d’excellence » (Labex) en 2012.

4

L’expérience AMS (Alpha Magnetic Spectrometer : spectromètre magnétique alpha) a pour mission de déterminer la composition du flux des rayons cosmiques de haute énergie qui arrivent sur Terre, afin d’en savoir plus sur les sources de ce rayonnement et peut-être d’éclaircir certains des principaux mystères de notre Univers : l’absence d’antimatière et la nature de la matière noire.AMS est un détecteur de physique des particules, installé le 19 mai 2011 sur la station spatiale internationale par la navette américaine Endeavour (mission STS-134), en orbite à 400 kilomètres d’altitude. De conception très similaire aux expériences que l’on trouve auprès des accélérateurs de particules, ses différents instruments lui permettent de détecter le passage des rayons cosmiques, de mesurer leurs propriétés (charge électrique, énergie) et de déterminer leur nature, sans que ceux-ci ne soient perturbés ou absorbés par l’atmosphère terrestre.

AMS

Décollage de la navette américaine Endeavour, avec le détecteur AMS à bord

Le détecteur AMS installé sur la station spatiale internationale

5

En cinq ans de prise de données, AMS a enregistré le passage de 80 milliards de particules chargées, soit plus que le nombre total de rayons cosmiques détectés entre leur découverte (par Viktor Hess en 1912) et le lancement d’AMS.

Matière noire

Une équipe de physiciens est maintenant en charge d’analyser les nombreuses données d’AMS. L’équipe du LAPP cherche en particulier des traces de la mystérieuse matière noire. En s’annihilant en paires particule-antiparticule, les particules de matière noire contribueraient à accroître la proportion d’antiélectrons (les positons) et d’antiprotons dans le rayonnement cosmique. AMS a, dans un premier temps, comparé les abondances relatives des positons et des électrons dans les rayons cosmiques et a effectivement observé une proportion de positons beaucoup plus grande que celle que les mécanismes de production connus prédisaient (figures ci-dessous). Cet excès de positons dans le rayonnement cosmique pourrait s’expliquer par l’annihilation de l’énigmatique matière noire, même si les étoiles dites pulsars permettraient également d’expliquer ce phénomène. Pour trancher entre ces deux hypothèses, AMS va mesurer le flux d’antiprotons ainsi que le flux de positons à plus haute énergie. Ces nouveaux résultats devraient bientôt nous permettre d’en savoir plus sur la matière noire.

Construction d’AMS

Le système de collection de lumière du calorimètre électromagnétique, l’un des sous-détecteurs clés d’AMS, a été entièrement conçu, produit et testé par les équipes du LAPP. Ce système doit faire face aux nombreuses contraintes de l’espace : fiabilité, faible consommation électrique, compacité, légèreté, robustesse, résistance aux vibrations, radiations et variations de températures (entre -30°C et 50°C). Pour ce faire, les équipes d’électroniciens, mécaniciens, informaticiens, ingénieurs qualité et physiciens ont travaillé ensemble pendant plus de dix ans, en partenariat avec les collaborateurs d’AMS, du CERN et les ingénieurs de la NASA ou de l’ESA.

Mesure de la fraction de positons : ces graphiques représentent l’évolution, en fonction de l’énergie du rayon cosmique détecté, du rapport (nombre de positons) / (nombre de positons + nombre d’électrons)

À gauche : jusqu'à 35 GeV - À droite : jusqu'à 500 GeVCâblage du calorimètre d’AMS par des techniciens du LAPP

6

ATLASATLAS est l’une des quatre expériences du grand collisionneur de hadrons (LHC, Large Hadron Collider) au CERN. Elle explore de nouveaux territoires de la matière, de l’énergie, de l’espace et du temps au LHC.

Le détecteur ATLAS a été conçu pour comprendre notre Univers et son évolution. La collaboration étudie de nouveaux processus fondamentaux ainsi que la matière à l’échelle la plus petite jamais atteinte. Elucider les mystères de la nature en étudiant les collisions de particules dans le détecteur ATLAS est un défi technique et scientifique sans précédent. Malgré sa grande taille et sa complexité, il permet de faire des mesures très précises. La collaboration ATLAS, composée de scientifiques provenant de 38 pays du monde entier, a construit et fait fonctionner le détecteur pour enregistrer les collisions du LHC. Ces dernières ont déjà donné lieu à des centaines de publications scientifiques, dont celle de la découverte du Boson de Higgs.

Elément du calorimètre électromagnétique

Développement d’un nouveau détecteur de traces

7

Découverte du boson de HiggsLe premier objectif scientifique du projet LHC au CERN était de mettre en évidence le boson de Higgs. Cette particule avait été introduite en 1964 pour expliquer la masse des autres particuleset était activement recherchée depuis. L’annonce de la découverte de ce boson en 2012, par les collaborations ATLAS et CMS, a couronné plus de 20 ans de travail.

Recherche de nouvelles particules

Les performances exceptionnelles du LHC et d’ATLAS donnent accès à la recherche de nouvelles particules, attendues ou non. Les événements enregistrés permettent aussi de tester la cohérence du Modèle Standard de physique des particules dans des domaines encore inexplorés. Toute incohérence sera une indication de nouvelle physique à plus haute énergie.

Fort des expertises acquises par la collaboration ATLAS dans les détecteurs et des résultats de physique obtenus, un programme d’amélioration du détecteur s’étale sur les 10 prochaines années, pour suivre la montée en puissance du LHC et toujours maximiser le potentiel de physique accessible.

Le LAPP, acteur majeur depuis le début du projetL’équipe ATLAS du LAPP a pris des responsabilités majeures à la fois dans les phases de construction et d’opération du Calorimètre Electromagnétique à Argon Liquide (partie du détecteur dédiée à la mesure de l’énergie des électrons et des photons). Le développement de la carte électronique LATOME (figure ci-contre) est un exemple de développement fait au LAPP. Le groupe a aussi été au cœur de la découverte du boson de Higgs en analysant les paires de photons. Plus généralement, les chercheurs étudient les états finaux avec électrons et photons pour trouver de nouvelles particules et sonder les limites du Modèle Standard.

Evénement à deux photons

Carte électronique LATOME

8

Astronomie GammaL’astronomie gamma a pour but d’identifier les origines du rayonnement cosmique, de mieux comprendre les phénomènes astrophysiques violents, de sonder la matière noire de l’Univers et de tester certaines lois fondamentales de la physique. Les rayons gamma sont issus d’interactions de particules chargées accélérées à très haute énergie.Aujourd’hui, l’exploration de ces rayons ouvre une nouvelle fenêtre sur le cosmos grâce au projet H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) situé en Namibie, actuellement la plus grande expérience au monde dédiée à l’observation des rayons gamma.CTA (Cherenkov Telescope Array), est un observatoire de nouvelle génération actuellement en construction sur deux sites, au Chili et en Espagne. Il assurera une couverture spectrale complète du domaine des hautes énergies, cartographiera l’ensemble du ciel et explorera plus profondément l’espace extragalactique.

Système de chargement de la caméra de H.E.S.S.

9

L’expérience H.E.S.S

H.E.S.S. est composé de 5 télescopes : 4 télescopes possédant un miroir de 13,6 mètres de diamètre et un grand télescope de 28 mètres placé au centre. Avant la mise en service de l’expérience en 2003, le nombre de sources de rayons gamma s’élevait à une petite dizaine. Grâce à H.E.S.S., près de 80 sources s’ajoutent aujourd’hui à ce catalogue.

L’expérience CTA

CTA est le futur premier observatoire pour l’astronomie gamma. Il sera constitué de deux sites dans chacun des hémisphères, regroupant plusieurs dizaines de télescopes de différentes tailles.

La contribution du LAPP

Le LAPP est principalement impliqué dans la conception des télescopes de grande taille qui seront le cœur du réseau. Il a conçu l’arche haubanée de 30 mètres qui soutiendra la caméra, le système de pilotage du télescope et l’électronique de contrôle de la caméra. Le groupe du LAPP participe également au développement du logiciel de contrôle des télescopes. Enfin, il joue un rôle majeur dans les différents aspects ayant trait à la gestion, au traitement et au stockage des quelques gigaoctets de données générées chaque seconde.

La contribution du LAPP

Le LAPP est très impliqué dans l’expérience, à la fois sur les aspects instrumentaux et les techniques d’analyse et d’exploitation des données. Il a conçu et réalisé le système automatisé de chargement et de déchargement de la caméra, ainsi que les composantes électroniques de son système de contrôle.L’équipe du LAPP est investie dans l’étude des phénomènes les plus violents de l’Univers tels que les Noyaux Actifs de Galaxie. Elle étudie également l’origine du rayonnement cosmique, grâce à l’observation des nébuleuses de pulsar, des vestiges de supernova et les nuages moléculaires associés, des sites potentiels de concentration de matière noire et des galaxies satellites de la Voie Lactée.

Cartes de ciel du Grand Nuage de Magellan : rayons gamma vus par H.E.S.S.

Limite d’exclusion H.E.S.S. d’un signal gamma indirect de matière noire

10

LHCbL’expérience LHCb est l’une des quatre expériences installées sur le grand collisionneur LHC du CERN. Elle est conçue pour explorer de façon précise les légères différences entre matière et antimatière ainsi que pour rechercher de nouvelles particules dans les désintégrations rares des hadrons B (particules contenant un quark b ou un antiquark b). Contrairement aux détecteurs ATLAS et CMS, qui sont des détecteurs fermés autour du point de collision, LHCb observe principalement les particules émises à petits angles vers l’avant dans la direction d’un des faisceaux.

Le détecteur pèse 5600 tonnes, mesure 21 mètres de long, 10 mètres de large et 13 mètres de haut. La collaboration LHCb se compose d’environ 760 scientifiques venant de 69 laboratoires de 16 pays du monde entier. Le groupe du LAPP participe à l’expérience LHCb depuis 2001.

Vue artistique écorchée de l’expérience LHCb

Salle de contrôle de l’expérience LHCb

11

Les désintégrations très rares des hadrons B fournissent une autre approche de recherche de « Nouvelle Physique ». La mécanique quantique prévoit en effet que lors de la désintégration d’un quark b, des boucles de « particules virtuelles » peuvent être créées pendant un très court instant ; ces particules sont virtuelles car trop lourdes pour être produites directement.

La contribution du LAPPLe LAPP a contribué activement à la construction, à la mise en route, au suivi du fonctionnement pour la prise de données, à la maintenance et à l’exploitation des données de l’expérience LHCb. Dans ce cadre, les membres du LAPP sont des éléments moteurs pour les sous-détecteurs calorimètres (permettant de mesurer l’énergie des particules). Ils sont impliqués dans plusieurs analyses importantes de physique, notamment la détermination précise de paramètres de l’asymétrie matière-antimatière et les désintégrations rares du quark b en un quark s et un photon.Le groupe participe également activement à la phase future d’amélioration du détecteur LHCb, en vue de profiter de façon optimale de l’amélioration des performances du LHC, en particulier de l’augmentation du nombre de collisions par unité de temps prévue en 2021. Le groupe joue ainsi un

rôle de coordination pour les différents sous-systèmes de l’expérience, au travers du projet d’acquisition des données à une fréquence de 40 MHz.

Observation des désintégrations très rares du hadron Bs en deux muons

Elles peuvent cependant affecter le comportement des quarks b et entraîner des déviations notables par rapport aux prédictions du Modèle Standard, ce qui fournirait une signature de leur présence. La figure ci-contre donne un exemple de telles désintégrations.

Comparaison entre la désintégration (en rouge) d’un hadron B (à gauche) et un anti B (à droite)

Recherche de « Nouvelle Physique »

La mesure précise de cette asymétrie au niveau des particules est donc l’une des pistes pour la recherche de « Nouvelle Physique », au-delà du Modèle Standard, et les hadrons B fournissent un terrain idéal pour son étude dans différents canaux de désintégration. La figure ci-dessus donne un exemple de cette différence de comportement entre matière et antimatière.

Asymétrie entre matière et antimatièreL’un des problèmes non résolus par le Modèle Standard de la physique des particules est l’asymétrie entre matière et antimatière dans l’Univers. Au moment du Big Bang, il devait y avoir autant de matière que d’antimatière ; le fait que notre Univers soit presque uniquement composé de matière indique qu’un mécanisme a dû créer un excès de matière sur l’antimatière. Le Modèle Standard prévoit une telle asymétrie, mais elle est beaucoup trop faible pour expliquer celle observée dans l’Univers.

12

Les neutrinos, particules élémentaires de très faible masse et de charge électrique nulle, traversent aisément la matière sans laisser de trace. Ils présentent des propriétés tout à fait étonnantes et ne cessent d’intriguer les chercheurs. Ils se déclinent en trois types appelés « saveurs » (électronique, muonique et tauique) et ils peuvent passer d’une saveur à l’autre par un phénomène appelé « oscillation ». Le LAPP est impliqué dans trois projets qui abordent une grande partie des questions fondamentales non résolues. Le neutrino est-il sa propre anti-particule ? SuperNEMO tentera de répondre à cette question en recherchant de la double désintégration bêta sans émission de neutrino (un type de radioactivité qui serait extrêmement rare). Existe-t-il une quatrième saveur de neutrino ? L’expérience STEREO étudiera très précisément les (anti)neutrinos issus d’un réacteur nucléaire pour y déceler des oscillations qui seraient la preuve de l’existence d’un quatrième type de neutrino (neutrino stérile). Les anti-neutrinos se comportent-ils différemment des neutrinos ? Le futur détecteur géant DUNE étudiera les différences entre neutrinos et anti-neutrinos.

Neutrinos

Interaction de neutrino électron vue dans OPERA

Image du soleil reconstruite à partir de la détection des neutrinos solaires

13

SuperNEMO, la nature du neutrino

L’expérience SuperNEMO est installée au LSM (Laboratoire Souterrain de Modane), dans le tunnel du Fréjus. En se protégeant sous les 1700 mètres de roche de la Pointe du Fréjus, les rayons cosmiques sont réduits un million de fois, permettant ainsi l’observation de phénomènes extrêmement rares comme celui recherché. Le groupe du LAPP, avec le service mécanique, réalise une partie de l’élément central du détecteur constituée d’une feuille source très fine de 7 kg de sélénium (82Se). Le LAPP est aussi responsable des logiciels de contrôle et de suivi du détecteur.

Le détecteur STEREO est placé à 10 mètres du cœur du réacteur de recherche de l’Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble. Il est composé d’une cuve contenant 2000 litres d’un liquide scintillant où l’énergie, déposée par la capture des neutrinos de type électron, produit de la lumière qui est mesurée par des tubes photomultiplicateurs. Tout proche du cœur, le détecteur doit être protégé des radiations ambiantes. Le LAPP est chargé de la conception du blindage (80 tonnes) et de la structure supportant le détecteur. L’ensemble peut être déplacé sur coussins d’air. L’étalonnage de la mesure d’énergie est cruciale pour cette expérience. Dans ce but, le LAPP a développé un système d’étalonnage automatisé utilisant des sources radioactives.

WA105/DUNE, quête de la violation CP

Le détecteur géant DUNE sera installé dans une mine du Dakota du Sud (USA) et détectera un faisceau de neutrinos produits à Fermilab (Chicago), à 1300 km de là. Des groupes français, dont le LAPP, s’engagent à réaliser le démonstrateur au CERN (WA105) d’un type de détecteur à argon liquide (200 000 litres à -185 oC), avec une phase gazeuse. La validation de cette technologie double phase ouvrira la porte au développement de modules de 10 kt d’argon liquide nécessaires pour le projet DUNE. Le groupe WA105/DUNE du LAPP a pris en charge la conception et la réalisation de la structure mécanique qui maintiendra, avec une très grande précision, les 36 m2 de plan de lecture au dessus du bain d’argon liquide. Il réalise également le système de positionnement de ce plan. De plus, une équipe d’électroniciens participe au projet de lecture des photomultiplicateurs permettant de détecter la lumière de scintillation.

STEREO, recherche d’un 4ème neutrino auprès d’un réacteur

Prototype de feuilles sources de sélénium

naturel réalisé au LAPP

Diagramme du processus de désintégration double bêta

Vue du détecteur interne de STEREO

Vue de la TPC argon liquide WA105 dans son cryostat

14

Le détecteur Virgo est un interféromètre géant dédié à l’observation des ondes gravitationnelles. Il est situé au sud de Pise, en Italie, et fait partie, avec les détecteurs américains LIGO, d’un réseau international d’observatoires d’ondes gravitationnelles. Virgo est une collaboration européenne constituée d’environ 200 chercheurs, ingénieurs et techniciens répartis dans une vingtaine de laboratoires en France, Italie, Pays-Bas, Hongrie, Pologne et Espagne.Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites en 1916 par la théorie de la Relativité Générale d’Albert Einstein. Elles sont générées lors de cataclysmes cosmiques comme la fusion de deux trous noirs. Elles modifient les distances sur leur passage. L’observation de ces ondes ouvre une nouvelle façon de voir l’Univers et permettra une meilleure compréhension de la gravité.

VirgoTube à vide d'un bras de l'interféromètre Virgo

Simulation numérique de deux trous noirs prêts à fusionner

15

Détection des ondes gravitationnelles

Le 14 septembre 2015 à 9h51 UTC a eu lieu la première détection directe d’une onde gravitationnelle. Les signaux enregistrés par les détecteurs LIGO provenaient d’une collision de deux trous noirs situés à 1,3 milliards d’années-lumière de la Terre. Ces deux trous noirs de 29 et 36 fois la masse du Soleil ont spiralé l’un vers l’autre jusqu’à fusionner pour former un seul trou noir de 62 masses solaires. Les observations et l’étude des sources astrophysiques d’ondes gravitationnelles ont désormais commencé.

Contributions du LAPP

Le groupe Virgo du LAPP, fort d'une dizaine de physiciens et d'une dizaine d'ingénieurs et techniciens, participe à la construction, à l'installation, aux réglages et à la surveillance du détecteur. Il est notamment responsable de l’ensemble de détection du signal (bancs optiques, photodiodes de détection et électronique associée), de l’acquisition des données et de la synchronisation temporelle du contrôle du détecteur, et de l’étalonnage du signal mesuré.

Le groupe est aussi fortement impliqué dans les outils d'analyse de la qualité des données et dans la recherche en temps réel de signaux d'ondes gravitationnelles provenant de collisions de trous noirs ou d'étoiles à neutrons. Cette recherche permet de déterminer en quelques minutes si une source potentielle a été détectée par Virgo et LIGO puis d’envoyer une alerte aux télescopes ou satellites de l’astronomie traditionnelle, qui peuvent alors rapidement observer en direction de la source.

Propriétés du détecteur

Le détecteur Virgo est un interféromètre de type Michelson avec deux bras perpendiculaires de 3 km de long, un faisceau laser infra-rouge de plusieurs dizaines de watts, des miroirs polis à quelques couches atomiques près, des suspensions antisismiques et des asservissements afin que les miroirs restent stables. Dans une bande de fréquence de 10 Hz à 10 kHz, il est conçu pour détecter le passage d’une onde gravitationnelle qui provoquerait une variation différentielle de longueur des bras inférieure à 10-19 m, soit un milliardième de la taille d’un atome. De nombreuses sources de bruit de fond peuvent perturber la détection des ondes gravitationnelles. Les réduire constitue un des défis scientifiques et technologiques de l’expérience Virgo.

Signaux détectés le 14 septembre 2015

Logiciel de visualisation des donnéesBanc de détection de Virgo Electronique : acquisition de données

16

Le projet de Collisionneur Linéaire LC (Linear Collider, ILC ou CLIC) vise à proposer un nouvel outil pour poursuivre l’étude des composants ultimes de la matière et de leurs interactions, aujourd’hui menée au LHC.

Formé de deux accélérateurs se faisant face, le LC accélèrera et fera entrer en collision des électrons et leurs antiparticules, des positons, à haute luminosité et à des énergies jusqu’à 15 fois supérieures aux précédents accélérateurs d’électrons. Ceci, combiné à l’interaction très précise de deux particules sans sous-structure qui s’annihilent, permettra de mesurer avec une grande précision les propriétés des particules, telles que le boson de Higgs, et pourrait également éclairer des nouveaux domaines de physique tel que celui de la matière noire.

Futurs Collisionneurs

17

Le LAPP consacre une part importante de ses activités à la R&D sur des sujets potentiellement vecteurs d’innovation, comme la stabilisation active des faisceaux des futurs accélérateurs et la conception de détecteurs de nouvelle génération.

Contrôle vibratoire

Les futurs collisionneurs linéaires, en particulier CLIC, mettront en œuvre des faisceaux de tailles sous nanométriques. Le groupe du LAPP a pour objectif d’optimiser l’interaction des faisceaux au point de collision, plus particulièrement la stabilisation vibratoire des aimants de focalisation finale et le contrôle de la trajectoire du faisceau au point d’interaction. Dans ce cadre, une démonstration de faisabilité de contrôle vibratoire à l’échelle sous-nanométrique a été réalisée et un capteur de vibrations (brevet d’innovation français) a été développé. Contrôle actif sous-nanométrique

Accélérateur ATF2 au Japon

L’équipe apporte également des solutions pour la stabilisation des aimants de focalisation finale à différents accélérateurs de démonstration comme par exemple ATF2 au Japon (Accelerator Test Facility 2).

Calorimétrie

L’expertise du LAPP se concentre sur la conception de calorimètres à échantillonnage à haute granularité.Des chambres gazeuses Micromegas de faible épaisseur sont utilisées pour la mesure des gerbes hadroniques. Construites au LAPP, elles intègrent une électronique à seuils qui, embarquée au cœur du calorimètre, permet d'atteindre la granularité de trois-cent-mille voies par mètre cube requise pour une physique de précision. La lecture d’un nombre de voies d’électronique aussi important est assurée par un système d’acquisition également developpé au sein du laboratoire.

Prototype de 6 cartes Micromegas Composants électroniques sur l’envers des cartes

2018TRANSMISSION DES SAVOIRS

Le LAPP est rattaché à l’UFR Sciences et Montagne de l’Université Savoie Mont Blanc. Le laboratoire est impliqué dans de nombreuses activités d’enseignement. Ces activités, assurées non seulement par les enseignants-chercheurs, mais aussi par des chercheurs, ingénieurs et techniciens CNRS comportent, outre des enseignements « traditionnels » (cours, travaux dirigés, travaux pratiques) des encadrements de stages techniques, de stages de formation à la recherche ainsi que des thèses de doctorat. Le personnel du LAPP témoigne ainsi sa volonté de faire découvrir les différents métiers de la recherche et de partager son savoir-faire pour contribuer à la formation des jeunes.

Formation

Une douzaine de doctorants effectuent leurs premiers travaux de recherche dans les différentes équipes du LAPP, laboratoire d’accueil de l’école doctorale de physique de Grenoble.Chaque année une vingtaine de stagiaires de tous niveaux (DUT, Licence, Master, Ecoles d’ingénieurs) sont accueillis au sein du laboratoire dans les équipes de recherche ou les services support.

Enseignement

En étroite collaboration avec leurs collègues du LAPTh, les enseignants-chercheurs et plusieurs techniciens et ingénieurs du LAPP assurent des enseignements dans les trois niveaux universitaires (Licence, Master, Doctorat), à l’IUT d’Annecy et dans plusieurs filières de l’Ecole d’Ingénieurs Polytech’ Annecy-Chambéry.

Tous les ans en juillet, le LAPP organise l’école GraSPA ayant pour but de donner à des étudiants de 3ème année de licence ou de 1ère année de Master une introduction à la physique des particules et des astroparticules.

Les physiciens du LAPP contribuent également aux enseignements de l’école ESIPAP (European School of Instrumentation in Particle and Astroparticle Physics) qui a été créée en 2014 à l’initiative du laboratoire d’excellence ENIGMASS.

19

En direction des scolairesLors de la Fête de la Science, des classes (de l’école primaire au lycée) sont accueillies au LAPP pour un parcours de découverte sur les thèmes de recherche du laboratoire. Le LAPP accueille aussi des élèves de 3ème lors de leur stage d’observation d’une semaine et des conférences sont régulièrement données dans les collèges et lycées.

En direction du grand public Tous les deux ans, le LAPP, accompagné du LAPTh, ouvre ses portes au public lors de la Fête de la Science. A travers des stands, différents parcours et des conférences, chercheurs, enseignants-chercheurs, ingénieurs, techniciens et doctorants partagent leur enthousiasme et leur passion en faisant découvrir à tous les âges les secrets et dernières avancées en physique des particules.

DIFFUSION DE LA CULTURE SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE

Chaque année, le LAPP participe également aux Masterclasses organisées par le CERN.

Les élèves et professeurs d’une classe de filière scientifique sont accueillis pendant une journée et initiés à la recherche en physique des particules en manipulant de vraies données du LHC.

2020

En soutien aux chercheurs, les services techniques du laboratoire conçoivent et réalisent des instruments toujours plus performants, capables de fonctionner dans des environnements extrêmes.

LES SERVICES SUPPORT ∙ INNOVATION & TECHNOLOGIES

Le service électronique participe au développement de la chaîne de lecture des signaux issus des détecteurs.

Les électroniciens du LAPP conçoivent des systèmes complexes permettant la lecture bas bruit et faible consommation des capteurs, la numérisation des signaux, leur traitement numérique par des systèmes rapides et performants à base de composants programmables ou processeurs, et finalement l’envoi des données vers le système d’acquisition de l’expérience.

Les agents du service maîtrisent les techniques et les composants de dernière génération ainsi que les outils de simulation et de conception des circuits imprimés.

Service électronique

Vue CAO d’une carte Préamplificateur analogique

Banc de test

21

Service mécanique

Le service mécanique prend en charge des développements techniques nécessaires à la construction des expériences de physique.

Outre la conception et la réalisation des systèmes mécaniques, son champ d’action dépasse généralement le cadre de la mécanique générale. Ses équipes mènent régulièrement des projets à caractère pluridisciplinaire avec entre autres de l’instrumentation, des simulations thermomécaniques et dynamiques avancées, du vide, de l’automatisme, du contrôle d’appareillages expérimentaux, du contrôle vibratoire, des systèmes de refroidissement ou encore la mise en œuvre des matériaux comme les matériaux composites.

Tube 1 de l’arche du télescope LST de CTA Chargeur automatique de H.E.S.S.

Banc optique et minitour de Virgo

Les agents du service ont ainsi des compétences très diversifiées avec des outils de conception mécanique, de fabrication assistée par ordinateur, de modélisation, d’instrumentation, de calculs scientifiques, d’électrotechnique ou encore d’automatisme. Le service est également équipé de moyens de réalisations à commande numérique et d’une salle instrumentation.

Mise en oeuvre de matériaux radiopurs en salle blanche pour les feuilles source SuperNEMO

2022 Service informatique

Les réalisations du service informatique s’inscrivent selon deux grandes missions :

• L’administration du parc informatique et du réseau du laboratoire ainsi que la mise en œuvre, la promotion et le support de services nécessaires au bon fonctionnement du laboratoire et des équipes de recherche.

• La réalisation de logiciels et d’applicatifs qui sont notamment mis en œuvre au niveau des systèmes d’acquisition des données et de supervision des expériences.

De par ses compétences, le service informatique est également impliqué dans de nombreux aspects liés à la simulation numérique et aux calculs scientifiques.

MUST

La plateforme MUST, méso-centre de calcul et de stockage, a été mise en œuvre par le LAPP et l’Université Savoie Mont Blanc afin de répondre aux besoins de calcul et stockage des chercheurs, et cela quelles que soient les disciplines scientifiques.

Hébergée dans une salle de 180m², cette plateforme répond à la fois aux besoins de calcul HPC (High Performance Computing) et HTC (High Throughput Computing), en permettant l’exécution de plusieurs milliers de tâches de calculs simultanément, mais aussi aux problématiques des grands volumes de données et de leur gestion.

Modélisation du détecteur de trace d’ATLAS

Les grilles LCG et CTACG

Afin de répondre aux besoins de calcul et stockage des expériences du LHC, la grille LCG (LHC Computing Grid) a été mise en œuvre par la communauté de la physique des particules. Plus d’une centaine de centres de calcul dans le monde participent à cette grille et notamment le LAPP à travers sa plateforme MUST.

Le LAPP a aussi su fédérer une dizaine de pays dans le projet de grille de calcul CTACG (CTA Computing Grid) afin de répondre aux besoins de calcul et stockage de l’expérience CTA dans sa phase préparatoire .

S’appuyant sur un réseau informatique international parmi les plus performants, ces grilles de calcul permettent l’exécution de plusieurs centaines de milliers de calculs par jour et gèrent plusieurs centaines de petaoctets de données scientifiques.

23

Mesure et contrôle vibratoire

Fort de son savoir-faire en instrumentation mécatronique pour la mesure et le contrôle actif de vibrations et dans le cadre de son programme de R&D en instrumentation, le LAPP développe un capteur adapté à la mesure et au contrôle des vibrations naturelles du sol avec un niveau de bruit très faible, sur une plage de fréquences allant de 0,15 Hz a 250 Hz. Cette technologie brevetée a été spécialement conçue pour la stabilisation active des grands instruments scientifiques, notamment les futurs accélérateurs linéaires, mais est également adaptable à d’autres applications pluridisciplinaires.

Le LAPP intervient sur différents sites expérimentaux en France, en Europe et au Japon pour effectuer des mesures de cohérence et pour la modélisation des déplacements du sol.

Plateformes du LAPP

Calcul scientifique

Les recherches du LAPP posent aussi des défis majeurs dans le développement du calcul scientifique.

Dans le cadre du projet ASTERICS H2020, le LAPP pilote des développements logiciels et des solutions de calcul haute performance pour les expériences de physique des astroparticules, d’astronomie et de cosmologie.

Le LAPP est un membre historique de la collaboration mondiale Geant4, un logiciel de simulation des interactions des particules avec la matière. Développée pour la recherche en physique des particules, ses applications incluent désormais la physique nucléaire, le spatial et le médical. Le groupe du LAPP est impliqué dans la simulation des processus éléctromagnétiques.

Le LAPP valorise son savoir faire par des actions interdisciplinaires au sein de l’université, par des accords de collaboration avec le monde industriel et également dans des projets européens d’envergure.

Simulation Geant4 du passage de particules dans un détecteur

Capteur de vibrations LAViSta

2024 Service administratif

Le service « administration et services généraux » du LAPP apporte son soutien aux activités de recherche menées dans l’unité par les chercheurs et les services techniques. Il est organisé en un pôle « ressources humaines et secrétariat », un pôle « finances » et un pôle « services généraux », et travaille en relation étroite avec la délégation Alpes du CNRS, l’Université Savoie Mont Blanc et l’IN2P3.

Le pôle « ressources humaines et secrétariat » assure :• Lagestiondupersonnel permanentet temporaire, que les agents soient chercheurs, enseignants-chercheurs, post-doctorants, doctorants, ingénieurs, techniciens, administratifs, visiteurs étrangers ou stagiaires.•L’assistanceàl’équipededirection,•Lesuivide lamédecinedepréventionet des aspects hygiène et sécurité en collaboration avec les différents acteurs du domaine,•Lagestiondespublicationsscientifiques,•L’organisationlogistiquedescolloques,des écoles et séminaires,•Lesecrétariatscientifiqueetlagestiondela documentation du laboratoire.

Le pôle « finances » assure :•Lagestionbudgetdulaboratoiredontles crédits proviennent du CNRS, de l’Université Savoie Mont Blanc et de ressources propres au LAPP (contrats européens, ANR, subvention des collectivités locales, valorisation…)• Le support aux missions, c’est-à-dire l’accomplissement des démarches nécessaires aux déplacements des agents, pour les aspects financiers (paiement des indemnités) et pratiques (billetterie, hôtels, visa…)•L’ensembledesachatsduLAPPdansle respect des règles comptables et de l’achat public.

Le pôle « services généraux » a en charge des missions variées : accueil, maintenance des locaux et des équipements techniques collectifs (ascenseurs, climatisation, alarme incendie…), gestion des fluides, achats de proximité, entretien du parc de véhicules…

Les t ravaux les p lus importants (infrastructure) sont assumés par le service technique de la Délégation Alpes du CNRS, en collaboration avec les services généraux.

Le personnel du LAPP lors d’un séminaire organisé par le pôle ressources humaines et secrétariatGraSPA 2016, une école organisée par le service administration et services généraux

25GLOSSAIRE

Anti-matière, anti-particule : pour chaque particule il existe une anti-particule ayant des propriétés opposées (par exemple la charge éléctrique) et la même masse.

Boson : particule élémentaire de spin entier. Toutes les particules transmettant une force (graviton, photon, gluon, W+, W-, Z0) sont des bosons.

Bosons W+, W-, Z0 : particules transmettant la force faible, en particulier responsables de la radioactivité bêta.

Boson de Higgs : particule élémentaire responsable de la masse des autres particules élémentaires telles que l’électron, les quarks, les bosons W+, W-, Z0.

Calorimètre : détecteur absorbant totalement la particule qui le traverse pour en mesurer l’énergie.

Calorimètre éléctromagnétique : calorimètre spécialisé dans la détection de particules éléctromagnétiques (électron, photon, positon,…).

Collisionneur : accélérateur de particules dans lequel des faisceaux de particules voyagent en sens inverse et collisionnent.

Désintégration : on dit qu’une particule se désintègre lorsqu’elle se transforme en deux (ou plus) autres particules. Par exemple, le boson de Higgs peut se désintégrer en deux photons.

Désintégration bêta : type de radioactivité dans laquelle le noyau émet un électron (appellé dans ce cas particule bêta) et un anti-neutrino.

Electron : particule élémentaire chargée négativement, c’est un des composants de l’atome avec les protons et les neutrons.

Gerbe hadronique : ensemble de particules créées par l’interaction d’un hadron avec la matière environnante.

Hadron : toute particule composée de quarks (ex : proton, neutron).

Matière noire : contrairement à la matière ordinaire, la matière “noire” n’émet pas, n’absorbe pas, ne réfléchit pas la lumière, elle est donc indétectable directement en astronomie. Cette matière semble composer plus de 85% de la masse de l’Univers.

Modèle Standard : théorie expliquant comment agissent les particules de matière, ainsi que les particules porteuses des forces.

Muon : particule élémentaire ayant les mêmes caractéristiques que l’électron, en plus lourd.

Neutrino : particule neutre et de masse très petite, sensible uniquement à l’interaction faible, très difficile à détecter.

Photon : particule de masse nulle transmettant la force électromagnétique. Les photons composent la lumière, les ondes radio, les faisceaux lasers…

Positon : anti-particule de l’électron.

Protons et neutrons : particules constituant le noyau de l’atome

Pulsar : étoile à neutrons tournant très rapidement sur elle-même et émettant un puissant rayonnement dans la direction de son champ magnétique.

Quark : constituant élémentaire des particules sensibles à l’interaction forte (protons, neutrons,…).

Rayon cosmique : particules et noyaux atomiques de très haute énergie produits lors de phénomènes astrophysiques violents telles les explosions d’étoiles.

Rayon gamma : photon de très haute énergie.

Saveur : nom générique désignant les différents quarks (u,d,c,s,b,t) et les leptons (électron, muon, tau).

2026

1976 : création du LAPP avec environ 80 salariés permanents.

1976 : 1ère expérience dans laquelle le LAPP est impliqué : NA2 (puis NA9 et NA28) auprès du SPS (accélérateur de protons du CERN), pour l’étude de la structure du neutron et du proton.

1976 - 2000 : participation aux expériences SPS du CERN : étude de la matière nucléaire (NA38, NA50-52) et recherche de hadrons exotiques (NA12, GAMS puis WA112).

1981-1990 : à la recherche des bosons Z et W avec l’expérience UA1 sur le collisionneur de protons-antiprotons SPS du CERN.

1983 : découverte des particules Z0 et W+/- par l’expérience UA1 (Prix Nobel de physique 1984).

1984-2000 : tests de précision du Modèle Standard et recherche du boson de Higgs et de « Nouvelle Physique » avec les expériences ALEPH et L3 auprès du collisionneur électrons-positons, le LEP, au CERN.

1989 : à la recherche des ondes gravitationnelles, le LAPP rejoint Virgo (Pise, Italie).

1980-1992 : recherche de l’oscillation de neutrinos avec l’expérience Bugey (réacteur nucléaire) puis avec NOMAD (CERN) et Chooz (réacteur nucléaire).

1991 : agrandissement du laboratoire, la surface est doublée.

1993 : le LAPP rejoint l’expérience BaBar auprès de PEPII (Stanford, Californie) et l’expérience ATLAS auprès du futur collisionneur protons-protons, le LHC (CERN).

1995 : le LAPP devient une Unité Mixte de Recherche sous la tutelle du CNRS et de l’Université de Savoie.

1995 : le quark top est découvert, en accord avec la prédiction des expériences du LEP.

HISTOIRE DU LAPP ...

Le LAPP en 1976

1er événement montrant la désintégration d’un Z0

Schéma général d’ALEPH

Expérience VirgoExpérience ATLAS

27... 40 ANS DE DÉCOUVERTES

Expérience LHCb

1996 : à la recherche de la matière noire et de l’antimatière dans l’Univers, le LAPP rejoint AMS.

1998 : création du LAPTh (Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de Physique Théorique).

2000 : toujours à la recherche des oscillations de neutrinos, le LAPP rejoint OPERA (CERN).

2001 : BaBar observe la violation de CP dans les mésons B. Le LAPP rejoint l’expérience LHCb (au LHC) qui prend le relais de BaBar.

2005 : R&D pour les futurs collisionneurs linéaires : le LAPP démarre, entre autres, les projets Micromegas (calorimètre), LAViSta (stabilisation des accélérateurs) et CTF3.

2005 : le LAPP rejoint la collaboration H.E.S.S., à la recherche de la matière noire et de la compréhension des phénomènes violents dans l’univers.

2007 : démarrage du méso-centre de calcul et de stockage MUST.

2008 : le LAPP contribue au lancement du projet CTA, successeur de H.E.S.S.

2011 : AMS est installé sur la station spatiale internationale.

2012 : le projet ENIGMASS est retenu pour faire partie des « Laboratoires d’excellence » (Labex).

2012 : découverte du boson de Higgs par ATLAS et CMS.

2012 : inauguration en Namibie du cinquième télescope de H.E.S.S.

2013 : inauguration de la maison de la mécatronique, et déménagement de MUST pour s’y installer.

2015 : observation de l’oscillation des neutrinos muoniques en neutrinos tauiques par OPERA.

2016 : annonce de la découverte des ondes gravitationnelles par la collaboration LIGO-Virgo.

: découvertes : évolutions du laboratoire : expériences Expérience OPERA

Expérience H.E.S.S

Expérience AMS 01

Afrique

EuropeAmérique du Sud

HESS

CTA

Amérique du Nord

DUNE

EspaceAMS

Asie

ATF2

AMSATLASCLICCTALHCb

SuperNEMOSTEREOVirgoWA105

9 Chemin de Bellevue - BP11074 941 Annecy-le-Vieux CEDEXFRANCETél : (+33) 4 50 09 16 00 / Fax : (+33) 4 50 27 94 95http://lapp.in2p3.fr

Septembre 2016 - Conception et réalisation graphique : Mathilde Patoux - Delphine Pelloux

Couverture : M. Patoux - D. PellouxPages 2-3 : © LAPPPages 4-5 : © NASA - © LAPPPages 6-7 : © LAPP - © ATLAS CollaborationPages 8-9 : © HESS Collaboration - © LAPP - © CTAPages 10-11 : © LHCb CollaborationPages 12-13 : © OPERA - © LAPP - © STEREO - © WA105Pages 14-15 : © Virgo Collaboration - © CNRS - © LIGO Scientific Collaboration - © SXS CollaborationPages 16-17 : © SiD - © ILC - © CLIC - © KEKPages 18-19 : © LAPPPages 20-23 : © LAPP - © CTA - © HESS Collaboration - © CNRS - © CERNPages 24-25 : © LAPPPages 26-27 : © LAPP - © Virgo Collaboration - © NASA - © HESS Collaboration - © LHCb Collaboration - © CERN4ème de couverture : M. Patoux - D. Pelloux