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Particules et noyaux, vers l’infiniment petit et au-delà

La physique nucléaire et celle des particules étudient les constituants infinitésimaux de la matière et leurs interactions. Les scientifiques explorent leur origine, leur nature, leurs propriétés et les mécanismes fondamentaux qui structurent la matière du monde qui nous entoure.

Claquages sous haute tension
Claquages sous haute tension

© Christophe BARUÉ / GANIL / CNRS Images

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La physique nucléaire a pris son essor à la toute fin du XIXe siècle avec la découverte de l’électron, des rayons X et de la radioactivité. Les physiciens et physiciennes ont alors découvert qu’au centre de chaque atome se cache un noyau, composé de deux sortes de particules : des neutrons et des protons. Selon leur nombre, ces particules influent sur la nature de l’atome, sur ses propriétés, mais aussi sa forme et sa stabilité. Pour les étudier, les scientifiques ont appris à les manipuler, les casser (fissions), les fusionner... Aujourd’hui, plus de 300 noyaux stables ou quasi stables différents sont identifiés et de nouveaux, dits « exotiques », sont créés régulièrement dans des accélérateurs, comme au Ganil à Caen. L’enjeu est de comprendre les forces à l’œuvre dans les noyaux afin de prédire leur comportement dans la nature ou les processus cosmiques qui ont conduit à leur apparition sur Terre. Une tâche compliquée car les protons et neutrons sont eux-mêmes composés de particules élémentaires, les quarks, soudées entre elles par des gluons. Le noyau s’est avéré être un ensemble de particules en mouvement permanent, comme une sorte de fluide et d’une complexité qui défie encore aujourd’hui les scientifiques.

La physique des particules s’intéresse aux constituants élémentaires de la matière – ceux que l’on pense insécables – et à leurs interactions. Les scientifiques créent ces particules dans des collisionneurs, comme au Cern à Genève, où ils entrechoquent des électrons, des protons ou d’autres noyaux plus gros. De l’énergie produite par les collisions naissent des particules, parfois nouvelles, qui sont étudiées dans les détecteurs. C’est l’accumulation d’une grande quantité de données produites par un nombre considérable de collisions qui permet de découvrir ces nouvelles particules ou d’observer de nouveaux effets. La dernière particule découverte, en 2012 au Cern, est le boson de Higgs. Paradoxalement, cette exploration de l’infiniment petit permet de mieux comprendre l’infiniment grand, c’est-à-dire comment l’Univers a pu se structurer et devenir ce qu’il est aujourd’hui.

Les astroparticules désignent, de manière générique, tous les « messagers » reçus sur Terre en provenance du cosmos : neutrinos, rayons cosmiques, photons gamma ou ondes gravitationnelles. Les scientifiques s’intéressent à eux car ils témoignent des phénomènes les plus violents de l’Univers. Détecteurs géants, satellites et télescopes servent à traquer et ainsi étudier ces phénomènes cataclysmiques.

Découvrez en images l’étendue des recherches en physique nucléaire et physique des particules dans les laboratoires du CNRS.

Mots clés : accélérateur de particules, astroparticule, boson de Higgs, Cern, collisionneur, fission, fusion, Ganil, leptons, matière, modèle standard, neutron, noyau, nucléosynthèse, particule élémentaire, physique nucléaire, plasma de quarks et de gluons, proton, quark.

20220098_0003
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Alignement de faisceaux optiques pour le refroidissement d'atomes par lasers. L’équipe Interférométrie atomique du Laboratoire collisions agrégats réactivité (LCAR) étudie les possibilités offertes par l'interférométrie à ondes de matière. L’équipe développe des expériences d'interférométrie atomique fonctionnant avec une très grande séparation spatiale entre les bras de l'interféromètre. Cette spécificité permet de façonner les potentiels électromagnétiques et gravitationnels, ouvrant la voie…

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Alignement de faisceaux optiques pour le refroidissement d'atomes par laser
20140001_1333
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Jonction entre les éléments YB-1 et YB-2 (à gauche) de CMS (Solenoïde compact à muons), un grand détecteur du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Sur le "nez", on distingue de droite à gauche : les calorimètres électromagnétique et hadronique et les détecteurs à muons. CMS identifie et mesure avec précision l'énergie et l'impulsion des particules accélérées par le LHC. Il permet de détecter de nouvelles particules rares, comme le boson de Higgs. Typiquement instables, ces particules se…

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Détecteur CMS au LHC
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Réseau de diffraction permettant de réaliser une source d'atomes froids transportable. Le réseau permet de diffracter les faisceaux lumineux et de créer l'ensemble des faisceaux de piégeage nécessaires au refroidissement d'atomes par laser. L’équipe Interférométrie atomique du Laboratoire collisions agrégats réactivité (LCAR) étudie les possibilités offertes par l'interférométrie à ondes de matière. L’équipe développe des expériences d'interférométrie atomique fonctionnant avec une très grande…

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Réseau de diffraction permettant de réaliser une source d'atomes froids transportable
20230065_0002
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Déploiement du Nœud de connexion 1 du Laboratoire sous-marin Provence Méditerranée (LSPM) avec un navire câblier d'Orange Marine. Cette infrastructure installée par 2 450 mètres de profondeur, à 40 kilomètres au sud de Toulon, rassemble des instruments pour étudier les neutrinos et l’environnement marin. Il s’agit d’une infrastructure sous-marine câblée organisée autour d’une série de nœuds de connexion et de systèmes intelligents qui alimentent plusieurs instruments scientifiques et en…

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Déploiement du Nœud de connexion 1 du Laboratoire sous-marin Provence Méditerranée (LSPM)
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Carte électronique principale du système d'étalonnage par lumière laser des tubes photomultiplicateurs (PMTs) du TileCal. Ce dernier est le calorimètre hadronique à tuiles scintillantes du détecteur Atlas, l'une des expériences du Grand collisionneur de hadrons (LHC). L'émission des diodes électro-luminescentes (couleurs) attestent de l'activité de la carte. Le TileCal détecte les hadrons créés lors de collisions proton-proton, mesure leur énergie et leur position. L'énergie déposée par les…

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Calorimètre TileCal au LHC
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Câblage du banc de test de l'électronique du TileCal, le calorimètre hadronique à tuiles scintillantes du détecteur Atlas, l'une des expériences du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Il entoure le calorimètre électromagnétique à argon liquide. Il permet de mesurer l'énergie des hadrons, qui ne déposent qu'une partie de leur énergie dans le calorimètre à argon liquide. La lumière produite par le passage des hadrons est transformée en signal électrique par un ensemble de tubes…

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Calorimètre TileCal au LHC
20140001_1339
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Technicien faisant la maintenance de CMS (Solenoïde compact à muons), un grand détecteur du Grand collisionneur de hadrons (LHC), pendant un arrêt technique long (2013 à 2015). CMS identifie et mesure avec précision l'énergie et l'impulsion des particules accélérées par le LHC. Il permet de détecter de nouvelles particules rares, comme le boson de Higgs. Typiquement instables, ces particules se désintègrent rapidement en une cascade de particules plus légères et mieux connues. En traversant CMS…

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Détecteur CMS au LHC
20200012_0014
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Maintenance en cours sur les détecteurs à muons de l'expérience CMS lors de l'arrêt prolongé de l'accélérateur LHC. Le Solénoïde compact pour muons (CMS) est un détecteur polyvalent installé sur l’anneau du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Il repose sur un aimant solénoïde géant pour incurver les trajectoires des particules produites lors des collisions dans le LHC. CMS identifie et mesure avec précision l'énergie et l'impulsion des particules accélérées par le LHC. Il permet de détecter…

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Maintenance en cours sur les détecteurs à muons de l'expérience CMS
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Partie de LHCb, un détecteur du Grand collisionneur de hadrons (LHC), conçu pour étudier les légères asymétries entre matière et antimatière, à partir de particules connues sous le nom de quarks de beauté. De gauche à droite, on observe les trois stations du trajectographe ainsi que les calorimètres électromagnétique et hadronique. Les collisions du LHC produisent des milliards de quarks et d'antiquarks de beauté qui forment des hadrons "beaux". LHCb étudie avec une prévision inégalée la…

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Détecteur LHCb
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Bobine supraconductrice et son support YB0, élément central de CMS (Solenoïde compact à muons), un grand détecteur du Grand collisionneur de hadrons (LHC). CMS identifie et mesure avec précision l'énergie et l'impulsion des particules accélérées par le LHC. Il permet de détecter de nouvelles particules rares, comme le boson de Higgs. Typiquement instables, ces particules se désintègrent rapidement en une cascade de particules plus légères et mieux connues. En traversant CMS, elles laissent dans…

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Détecteur CMS au LHC
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Le détecteur de particules ALICE dans l'aimant L3, ouvert pour une période de maintenance. Il mesure 16 m de hauteur sur 26 m de longueur. Il enregistre plusieurs centaines de collisions frontales d'ions lourds par seconde. Ses 18 sous-détecteurs pistent et identifient les dizaines de milliers de particules produites lors de chaque collision frontale entre deux ions plomb. En réalisant ces collisions de noyaux lourds accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, le Large Hadron…

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Détecteur ALICE au LHC
20140001_1307
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Atlas, le détecteur le plus volumineux jamais construit pour la physique des particules (46 m de long pour 25 m de haut), en position ouverte pendant une période d'arrêt. Conçu pour comprendre notre Univers et son évolution, il détecte les particules élémentaires produites lors des collisions protons-protons. Les protons sont accélérés jusqu'à une énergie totale de 14 TeV par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Un milliard de collisions sont produites chaque seconde, mais seules…

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Détecteur Atlas au LHC
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Atlas, le détecteur le plus volumineux jamais construit pour la physique des particules (46 m de long pour 25 m de haut), en position ouverte pendant une période d'arrêt. Conçu pour comprendre notre Univers et son évolution, il détecte les particules élémentaires produites lors des collisions protons-protons. Les protons sont accélérés jusqu'à une énergie totale de 14 TeV par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Un milliard de collisions sont produites chaque seconde, mais seules…

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Détecteur Atlas au LHC
20220127_0022
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Outillage d'assemblage des capteurs à pixels hybrides (au second plan) de l'expérience Atlas/Itk-Pixel et prototype de détecteur en silicium (au premier plan), développés par le Centre de physique des particules de Marseille (CPPM). Il permet d’assembler par collage les capteurs sur des structures porteuses. Quatre mille capteurs de ce type sont montés dans six sites répartis dans le monde. Ils sont destinés au tonneau externe ("Outer Barrel") du nouveau trajectographe à pixels (Itk-Pixel) de l…

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Outillage d'assemblage des capteurs du trajectographe à pixels de l'expérience Atlas au LHC
20220127_0007
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Carte Intermezzo, ici montée sur une carte d'évaluation, conçue par le Centre de physique des particules de Marseille (CPPM) pour l’expérience Atlas. Le détecteur de particules polyvalent Atlas du Grand collisionneur de hadrons (LHC) étudie des domaines de physique très variés, de la recherche du boson de Higgs aux particules qui pourraient former la matière noire. Le CPPM est notamment en charge de l'électronique d'acquisition pour la future version du calorimètre électromagnétique, qui sera…

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Carte Intermezzo destinée à l'expérience Atlas, montée sur une carte d'évaluation
20220127_0019
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Ensemble de tuiles de verre collées d'épaisseur 1 mm qui composent un des disques de diamètre 300 mm du prototype du futur détecteur d'axions de l'expérience MadMax (Magnetized disc and mirror axion experiment). La matière noire est une des grandes énigmes actuelles de la physique fondamentale. Bien qu’elle représente 85 % de la masse totale de l’univers, sa nature reste inexpliquée par le modèle standard de la physique des particules. Cette théorie classifie les particules fondamentales et…

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Tuiles de verre d'un disque du prototype du futur détecteur d'axions de l'expérience MadMax
20190062_0006
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Nous sommes à l’intérieur de la cavité accélératrice d’un cyclotron, un accélérateur circulaire de particules. Après plusieurs années de fonctionnement, des arcs électriques de très haute tension, jusqu’à 100 000 volts et d’une durée de quelques microsecondes, ont littéralement pulvérisé le cuivre de la cavité. Ces taches éclatantes reflètent la rugosité de la paroi et les dépôts métalliques non uniformes. Cette image a été lauréate du concours La preuve par l’image (LPPI) 2019.

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Claquages sous haute tension
20140001_1580
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Le Ganil (Grand accélérateur national d'ions lourds) à Caen, où le détecteur AGATA a été installé en juin 2014 pour une campagne de deux ans. On distingue le spectromètre VAMOS (Variable mode spectrometer) à gauche et des baies destinées à accueillir les infrastructures de traitement du signal d'AGATA (Advanced gamma tracking array) à droite. AGATA est un détecteur de rayon gamma qui permet, grâce à un système de "tracking", de suivre le parcours d'un photon de façon précise en identifiant ses…

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AGATA, détecteur de rayon gamma
20160093_0063
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Vue de la source d’ions lourds de SPIRAL 2 (Système de Production d’Ions Radioactifs en Ligne de 2e génération), installé au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), à Caen. La source dite ECR (Electron Cyclotron Resonance) est composée d'une cavité sous vide dans laquelle on injecte des atomes sous la forme d'un gaz. La cavité est soumise à un fort champ de micro-ondes qui provoquent des collisions entre les électrons libres d’un plasma et les atomes de gaz, conduisant à l…

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Source d’ions lourds de SPIRAL2
20160093_0082
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Lignes de transport des faisceaux d’ions de SPIRAL 2 (Système de Production d’Ions Radioactifs en Ligne de 2e génération), installé au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), à Caen. Les particules légères (protons, deutons, alphas) et les ions lourds sont produits au moyen de sources dites ECR (Electron Cyclotron Resonance), composées d'une cavité sous vide dans laquelle on injecte des atomes sous la forme d'un gaz. La cavité est soumise à un fort champ de micro-ondes qui provoquent…

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Lignes de transport des faisceaux d’ions de SPIRAL2
20160093_0028
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Cryomodules renfermant les cavités accélératrices supraconductrices du LINAC (LINear ACcelerator) de SPIRAL 2. Les cavités, composées de niobium, sont le siège d’un champ éléctromagnétique intense nécessaire à l’accélération des faisceaux d’ions. SPIRAL 2 (Système de Production d’Ions Radioactifs en Ligne de 2e génération) est installé au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), à Caen. Il associe le LINAC à des salles d'expériences, dédiées à l'exploration du noyau atomique. Le LINAC…

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Cryomodules renfermant les cavités accélératrices du LINAC (LINear ACcelerator) de SPIRAL2
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Vue du LINAC (LINear ACcelerator) de SPIRAL 2 (Système de Production d’Ions Radioactifs en Ligne de 2e génération) avec ses cryomodules supraconducteurs renfermant des cavités accélératrices. SPIRAL 2 est installé au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), à Caen. Il associe le LINAC à des salles d'expériences, dédiées à l'exploration du noyau atomique. Le LINAC de SPIRAL 2 délivre des faisceaux d'ions légers et lourds à des intensités extrêmement élevées, plus de 10 fois supérieures…

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LINAC (LINear ACcelerator) de SPIRAL2
20070001_0061
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Le site de Chooz, dans les Ardennes, qui accueillera l'expérience Double Chooz destinée à étudier les neutrinos, ces particules élémentaires produites en abondance dans les étoiles, l'atmosphère, et les coeurs des centrales nucléaires. Deux détecteurs identiques seront placés près de la centrale nucléaire de Chooz (Ardennes), à des distances différentes des réacteurs (1km et et 275m). L'expérience permettra de mesurer avec précision la dernière propriété, encore mal connue des neutrinos : l…

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Le site de la centrale nucléaire de Chooz vu du ciel
20090001_1036
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Vue d'ensemble de l'expérience Double Chooz. Au premier plan le couvercle de la cuve du détecteur de neutrinos avant la pose et au fond la cuve avec les ingénieurs et techniciens qui y travaillent. Lieu de l'expérience Double Chooz sur le site de la centrale nucléaire de Chooz (Ardennes). Cette expérience a pour but de mesurer le troisième angle de mélange des neutrinos, nommé Theta1.3.

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Vue d'ensemble de l'expérience Double Chooz. Au premier plan le couvercle de la cuve du détecteur de
20030001_0225
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Recherche du boson de Higgs et supersymétrie. Banc de test d'une carte front-end du calorimètre d'ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus). Cette carte front-end est nécessaire à la lecture et à la mise en forme des signaux provenant du détecteur de particules ATLAS au CERN. Niveau d'intégration très poussé avec des fonctionnalités très complexes, ensemble résistant aux radiations.

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Recherche du boson de Higgs et supersymétrie. Banc de test d'une carte front-end du calorimètre d'AT
20010001_1207
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Calorimètre électromagnétique réalisé au LPC de Clermont Ferrand qui mesure l'énergie transverse neutre (centralité à la réaction) dans le but de mettre en évidence un plasma de quarks et gluons. L'expérience NA50, réalisée au supersynchrotron à protons au CERN, utilise un faisceau d'ions lourds (plomb).

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Calorimètre électromagnétique réalisé au LPC de Clermont Ferrand qui mesure l'énergie transverse neu
20130001_1512
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Câblage des appareils de diagnostic du faisceau du dispositif de détection BEDO (Beta decay studies in Orsay) qui permet d'étudier la radioactivité bêta. Il est situé près du séparateur d'isotopes en ligne PARRNe (Production d'atomes radioactifs riches en neutrons). BEDO détecte les rayonnements émis par la décroissance de sources radioactives, constitués lors de la collection des isotopes très riches en neutrons (exotiques) produits à ALTO. Il est optimisé pour détecter les évènements rares…

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Câblage des appareils de diagnostic du faisceau du dispositif de détection BEDO (Beta decay studies
20080001_0458
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Une ligne de détection du télescope sous-marin à neutrinos ANTARES, prête à être déployée en Méditerranée, au large de l'île de Porquerolles, par 2 500 mètres de profondeur. ANTARES est le premier télescope sous-marin destiné à étudier les neutrinos cosmiques de très haute énergie. Ces particules fugaces sont émises par les sources les plus lointaines et violentes de l'Univers, comme les pulsars ou les restes de supernovae. L'enjeu d'Antares est donc de mieux connaître la structure de l'Univers…

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Une ligne de détection du télescope sous-marin à neutrinos ANTARES, prête à être déployée en Méditer
20080001_0455
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Mise à l'eau d'une ligne de détection du télescope sous-marin à neutrinos ANTARES, déployée en Méditerranée, au large de l'île de Porquerolles, par 2 500 mètres de profondeur. La ligne comporte 25 étages équipés chacun de trois modules optiques qui scrutent le fond de la mer. ANTARES est le premier télescope sous-marin destiné à étudier les neutrinos cosmiques de très haute énergie. Ces particules fugaces sont émises par les sources les plus lointaines et violentes de l'Univers, comme les…

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Mise à l'eau d'une ligne de détection du télescope sous-marin à neutrinos ANTARES, déployée en Médit
20180069_0020
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Modifications pour réaliser des tests de performances d'un système de transfert de temps ultrastable par fibre optique. Ce prototype permet de transférer le temps avec des stabilités meilleures que la picoseconde grâce à une méthode de démodulation optique. Ce système ouvre la voie à des comparaisons d’échelles de temps sans dégradation due au moyen de comparaison, et devrait permettre à terme des tests poussés de la relativité générale.

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Modifications sur un système transfert de temps ultrastable par fibre optique
20210159_0056
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Simulation d'une carte brownienne, modèle de géométrie aléatoire. L'unification de la physique quantique et de la relativité générale reste l'un des grands défis de la science contemporaine. Elle semble demander, a minima, de disposer de bons concepts mathématiques de "géométrie aléatoire", une notion pourtant redoutablement difficile à formaliser. Les cartes browniennes en sont un modèle mathématique simplifié dans le cas d'un espace-temps qui n'aurait que deux dimensions. Elles peuvent être…

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20210159_0056
Simulation d'une carte brownienne, modèle de géométrie aléatoire
20210159_0058
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Simulation d'une carte brownienne, modèle de géométrie aléatoire. L'unification de la physique quantique et de la relativité générale reste l'un des grands défis de la science contemporaine. Elle semble demander, a minima, de disposer de bons concepts mathématiques de "géométrie aléatoire", une notion pourtant redoutablement difficile à formaliser. Les cartes browniennes en sont un modèle mathématique simplifié dans le cas d'un espace-temps qui n'aurait que deux dimensions. Elles peuvent être…

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Simulation d'une carte brownienne, modèle de géométrie aléatoire
20120001_0340
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Représentation tridimensionnelle d'une variété quadridimensionnelle de Calabi-Yau. L'une des tentatives d'unification de la Relativité générale et de la mécanique quantique est la théorie des super cordes. Pour assurer sa cohérence mathématique, notre espace-temps devrait posséder 6 ou 7 dimensions supplémentaires, probablement compactes et ici illustrées.

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Représentation tridimensionnelle d'une variété quadridimensionnelle de Calabi-Yau. L'une des tentati
20220119_0011
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Attention image soumise à restrictions nous contacter

Le trajectographe à muons face au volcan Snaefellsjökull, en Islande. Ce détecteur de muons est constitué de trois plans de détection assemblés sur une structure métallique. Jacques Marteau, lauréat de la médaille de l'innovation du CNRS 2022 à l'origine de la start-up Muodim, et l'équipe de muographie de l’Institut de physique des 2 infinis de Lyon (IP2I-Lyon) cherchent à imager le Snaefellsjökull, un volcan immortalisé par Jules Verne dans "Voyage au centre de la Terre". La muographie est une…

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Le trajectographe à muons face au volcan Snaefellsjökull, Islande
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Attention image soumise à restrictions nous contacter

Jacques Marteau, lauréat de la médaille de l'innovation du CNRS 2022 à l'origine de la start-up Muodim, et Jean-Christophe Ianigro, collaborateur de l’Institut de physique des 2 infinis de Lyon (IP2I-Lyon) et de Muodim, assemblent les plans de détection du trajectographe à muons, en Islande. Ce détecteur de muons sera ensuite calibré, avant d'être pointé sur le volcan Snaefellsjökull, à l’arrière-plan. L’équipe de muographie de l’IP2I-Lyon cherche à imager ce volcan immortalisé par Jules Verne…

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Assemblage du trajectographe à muons pour imager le volcan Snaefellsjökull, Islande

CNRS Images,

Nous mettons en images les recherches scientifiques pour contribuer à une meilleure compréhension du monde, éveiller la curiosité et susciter l'émerveillement de tous.