Archives mensuelles : janvier 2015

Le CERN 2014 en 10 photos

Aujourd’hui, mon billet est consacré à 9 photos du CERN qui m’ont marqué en 2014 plus une photo de ce début 2015. Vous trouverez à chaque fois des liens hypertextes si vous souhaitez plus de détails.

Ma première photo sélectionnée, la seule de 2015, est le drapeau du CERN mis en berne le vendredi 09 Janvier lors de la minute de silence en hommage aux journalistes assassinés de Charlie Hebdo

CERN_flagCrédit image Maximilien Brice/CERN © CERN

 Formation sécurité de chariot-tracteur sur le site du CERN Prévessin (Décembre 2014).Towing Tractor Training Session

Crédit image Christoph Balle /CERN © CERN

 Insertion du détecteur à pixel de CMS proche du tube faisceau du LHC (Décembre 2014).CERN_CMS

Crédit image Noemi Caraban Gonzalez/CERN © CERN

John Ellis dans son bureau avec son nouveau pullover symbolisant le fameux diagramme pingouin inventé par le physicien en 1977 (Octobre 2014).CERN_Ellis

Crédit image Guillaune Jeanneret / CERN © CERN

 Début du perçage du futur tunnel qui hébergera l’expérience AWAKE au CERN. Cette expérience permettra d’accélérer des électrons par accélération plasma (Aout 2014). CERN_AWAKE

Crédit image Maximilien Brice/CERN © CERN

Le directeur général du CERN, Rolf Heuer, rencontre le pape François au Vatican (Juin 2014). Voir cet article du temps intéressant de Rolf Heuer sur les différences entre Benoit XVI et le pape François au sujet de la Science.LHC_pape

Image credit: Photographic Service – L’Osservatore Romano

Installation du détecteur IBL juste autour du tube faisceau de l’expérience ATLAS (Mai 2014). CERN_IBL

Crédit image Claudia Marcelloni De Oliveira /CERN © CERN

 Installation du dernier des 27000 « shunts » des aimants supraconducteurs du LHC (Avril 2014) LHC_Soudure

Crédit image Maximilien Brice/CERN © CERN

Cavités radio fréquence « drift tube » du futur accélérateur linéaire LINAC4 qui injectera les protons vers le LHC à partir de 2020.CERN_LINAC4

Crédit image Maximilien Brice/CERN © CERN

 Et pour finir, ma photo préférée: Maria et Giuseppe Fidecaro, célèbre couple fidèle au restaurant 1 du CERN (Février 2014). Ils sont au CERN depuis 1956 et sont toujours actifs aujourd’hui, comme quoi, la physique des particules, ça conserve ! Plus de détails sur ce couple fabuleux ici si vous le souhaitez.CERN_fidecaro

Crédit image Anna Pantelia / CERN © CERN

De la RMN à l’IRM

Tout le monde connait maintenant l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) qui est devenue un examen presque classique en imagerie médicale lorsqu’on a besoin d’images précises de la moelle épinière ou du cerveau mais aussi pour toutes les articulations, muscles, cellules cancéreuses ou toutes zones irriguées par le sang.

IRM-1La France est cependant sous-équipée avec seulement 684 IRM au total sur son territoire, soit environ 10 IRM par million d’habitants, contre une moyenne de 20 en Europe, ce qui explique une attente moyenne de 37,7 jours en France pour réaliser cet examen parfois indispensable pour rendre un diagnostic à des patients souffrants en attente d’un traitement adéquat (source). La France fait donc figure de mauvaise élève en la matière. Certes, un IRM coûte cher, dans les 2 millions d’euros, mais la demande n’est pas satisfaite comme il se devrait.

IRM_photoJe vais essayer de vous expliquer ici comment fonctionne un IRM et pourquoi cette technique est si révolutionnaire, ne présentant quasiment que des avantages.

La Résonance Magnétique Nucléaire

L’IRM est basée sur un phénomène physique appelé la Résonnance Magnétique Nucléaire (RMN) découvert en 1938 par Isidor Isaac Rabi, un des pères fondateurs du CERN à Genève (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) et qui obtiendra d’ailleurs le prix Nobel pour cette découverte en 1944. On dénombrera d’ailleurs pas moins de 5 prix Nobel ayant un rapport avec la RMN et l’IRM entre 1944 et 2003.

La RMN tire son explication du fait que les noyaux des atomes (les protons et les neutrons) possèdent une sorte de « petit aimant » interne que les physiciens appellent « spin ». On peut donc dire qu’un atome possède aussi un spin en ajoutant tous les spins de chaque particule qui le compose. A noter que si 2 petits aimants sont inverses l’un de l’autre, alors ils s’annulent et le spin résultant est ainsi nul.

Si on applique un champ magnétique à ces « petits aimants », ils vont alors se mettre à tourner sur eux même en décrivant un cône, un peu à la manière d’une toupie, c’est le phénomène de la précession de Larmor.

 IMR_Larmor

Un atome de spin non nul assure un mouvement de précession de Larmor autour d’un champ magnétique constant (B0)

Ainsi, tous les atomes ayant un nombre de protons et de neutrons pair come l’oxygène (4 protons + 4 neutrons) et le carbone (8 protons + 8 neutrons) ont un spin nul et ne sont donc pas soumis au phénomène de RMN. En revanche, tous les atomes ayant un nombre de protons et de neutrons impair sont soumis à ce phénomène de résonance magnétique tel l’hydrogène (1 seul proton). L’hydrogène est intéressant en RMN car il très bien connu des scientifiques et il est présent en grande quantité dans le corps humain dans les molécules d’eau (H2O).

Comment fabriquer une image ?

Pour fabriquer une image en 3 dimensions, on va mettre l’échantillon qui nous intéresse (un homme par exemple) dans un puissant champ magnétique constant. Tous les atomes de spins non nuls vont alors tourner comme des toupies dans la même direction. On va alors ajouter dans une autre direction de l’espace un champ magnétique oscillant au champ magnétique constant de manière à exciter certains atomes qui vont osciller à leur tour à une fréquence bien particulière et quand on va arrêter ce champ oscillant, les atomes vont regagner progressivement leur position initiale dans le champ magnétique constant, c’est ce qu’on appelle la relaxation. Chaque atome oscille à une fréquence bien précise en fonction du champ magnétique, par exemple, l’hydrogène oscille à une fréquence de 42 MHz pour un champ magnétique de 1 Tesla. Lorsque ce phénomène apparait et disparait, on peut mesurer avec une antenne réceptrice ces atomes comme l’hydrogène qui ont changé de direction sous l’influence de ce champ magnétique oscillant. On répète l’opération dans les 3 dimensions et à plusieurs fréquences connues si on s’intéresse à plusieurs composés chimiques et on peut alors mesurer la répartition de chaque ensemble d’atomes dans l’espace.

IRM_craneUne fois toutes ces mesures faites, il faut alors reconstituer une image en 3 dimensions. Cette question a pu être résolue récemment dans les années 70 grâce aux importants progrès en traitement du signal et grâce aux progrès de l’informatique sans lesquels l’IRM serait impossible car cette technique nécessite une grande quantité d’information et de calcul pour reconstituer une image.

L’IRM : la machine

En gros, un IRM, c’est:

  • Un gros aimant pour faire un champ magnétique permanent et homogène, c’est le gros tube dans lequel on rentre et qui fait environ 60 cm de diamètre.
  • Trois bobines de gradient dans les 3 directions de l’espace pour créer les champs magnétiques oscillants. Elles sont généralement réparties autour du tunnel de l’aimant.
  • Des antennes radiofréquences pour mesurer le signal de précession des atomes qui résonnent. Généralement placées autour de la tête ou de toute autre zone à observer.
  • Un super PC qui fait tourner un algorithme informatique pour décrypter toutes les mesures des antennes et reconstituer l’image.

La pièce centrale de l’IRM est véritablement l’aimant principal car plus le champ magnétique est intense, meilleur sera la résolution de l’image à la fin. C’est pour cette raison qu’aujourd’hui la plupart des IRM utilisent des aimants supraconducteurs (voir ce billet sur la supraconductivité) permettant d’atteindre des champs magnétiques jusqu’à 7 Teslas dans les IRM, soit plus de 100 000 fois le champ magnétique terrestre qui nous indique le nord ! Grâce à ces champs extrêmement puissants on obtient des images précises au millimètre avec un très bon contraste. Le CEA est même en train de construire un IRM à 11,5 Tesla pour une ouverture de 90cm (Iseult) dans le cadre du projet Neurospin à Saclay.

 IRM_IseultCoupe de laimant Iseult de 11,5 T pour le projet Neurospin. En orange : les bobines supraconductrices. En bleu : lenceinte hélium et la structure mécanique © CEA.

Evidemment, le coût de ces aimants est important et en plus, ils doivent fonctionner à une température cryogénique proche du zéro absolu. En effet, les aimants supraconducteurs IRM sont généralement refroidis à 4,5 K, soit -266 degrés à l’aide d’hélium liquide et demande donc une infrastructure assez importante pour fonctionner avec un coût associé non négligeable.

Est-ce dangereux ?

Certains détracteurs tentent de montrer que l’exposition à des champs magnétiques de manière répétée peut entrainer des troubles de santé mais rien n’a jamais été prouvé jusqu’à présent et il est clair que le fait de réaliser quelques IRM dans l’année (une séance dure environ 30 minutes) est inoffensif pour la santé. L’IRM conventionnel n’utilise pas de traceur et il n’y a aucune radiation liée à cette technique (cependant on trouve parfois le couplage de l’IRM avec un agent de contraste radioactif pour améliorer certain diagnostic).

C’est d’ailleurs un des principaux atouts de l’IRM contrairement aux angiographies ou aux scanners qui utilisent des rayons X provoquant l’irradiation des patients de manière significative. A titre de comparaison, un patient réalisant un scanner de l’abdomen  reçoit d’un coup une dose de radiation de 10 millisievert, soit la moitié du seuil maximal accepté pour un travailleur français dans le nucléaire en une année complète alors que pour une IRM classique, c’est zéro !

Il y a cependant des contre-indications pour passer une IRM comme :

  • La présence d’objets métalliques dans le corps : bah oui, imaginez ce que va faire un morceau de métal dans un champ magnétique intense… Je ne parle même pas d’un patient ayant un pacemaker qui n’a pas le droit d’approcher un IRM à moins de 15 mètres.
  • La claustrophobie : le tunnel fait dans les 60cm de diamètre, on est attaché sur une table mobile et ça fait un boucan d’enfer…
  • L’obésité et les femmes enceintes (toujours le problème de l’étroitesse du tunnel). IRm-2

 L’IRM fonctionnelle : une révolution

Une autre révolution est l’IRM dite fonctionnelle, ou encore IRMf. Cette technique se base sur le fait que la désoxyhémoglobine (les globules rouges dans le sang auxquelles les atomes d’oxygène ont été absorbés par le métabolisme du corps) est sensible au phénomène de RMN. On peut alors exciter la fréquence de ces molécules par RMN et ainsi avoir un indice sur l’afflux de sang oxygéné qui chasse le sang désoxygéné. Ce signal appelé « signal BOLD » peut s’acquérir en IRM en environ une seconde seulement.

On peut alors enregistrer ce « signal BOLD » en temps réel sur un patient dans une IRM comme un film et suivre en direct l’oxygénation du cerveau lors d’exercices cognitifs qui mettent en avant quelles zones du cerveau sont actives. Cette technique a été révolutionnaire car elle permet une résolution spatiale de l’ordre du millimètre  et une résolution temporelle de l’ordre de la seconde sans aucune contrainte de répétitivité comme l’IRM est non invasive et ne génère pas de radiation. irmf1-grdImage obtenue par IRMf illustrant la dissociation dans le cortex orbitofrontal entre récompenses primaires (image érotique) et secondaire (gain d’argent). © CNRS.

Ces avantages ont permis de très grandes avancés pour la recherche en psychologie cognitive et comportementale ainsi qu’en psychiatrie dans les 10 dernières années. L’IRMf a détrôné la TEP (Tomographie par Emission de Positrons) qui était jusqu’alors utilisée pour faire des études du cerveau mais avec une résolution de plus de 250 mm3 et une résolution temporelle de 2 minutes tout en étant invasif et générant des radiations.

FCC: le CERN étudie un accélérateur de 100 km !

Nom de code : FCC pour Future Circular Collider, c’est le nom du projet qui regroupe un ensemble d’études pour des futurs grands accélérateurs de particules circulaires de l’ordre de 100 km de circonférence dans la région de Genève où le CERN exploite actuellement le plus grand accélérateur de particules du monde, le LHC (Large Hadron Collider), qui mesure 27 km de circonférence.

FCC_planLocalisation du FCC par rapport au LHC dans la région genevoise. Le FCC passerait sous le lac Léman  et contournerait le massif du Salève entre Suisse, Ain et Haute Savoie. © CERN.

Un accélérateur de 100 km pour faire quoi ?

Si le LHC ne trouve pas de nouvelles particules jusqu’à son énergie maximale en 2018  (14 TeV au centre de masse), cela peut signifier qu’il y a peut-être des particules encore plus massives au-delà de cette énergie qui pourraient répondre aux questions des physiciens qui restent toujours en suspens:

  • Qu’est-ce que la matière noire ?
  • Quelles sont tous les constituants de la matière ?
  • Quelle est l’origine de l’asymétrie matière/antimatière ?
  • Pourquoi la masse des neutrinos est si petite et ont-ils des partenaires super-massifs ?
  • Les particules ont-elles des partenaires super-symétriques ?
  • Y a-t-il d’autres forces dans la nature à plus hautes énergies ?

La communauté internationale s’est donc fixé une limite de 100 TeV au centre de masse (soit 7 fois plus que le LHC) pour repousser cette limite où notre technologie future devrait pouvoir nous conduire mais il y a beaucoup de recherche et de développement à faire pour arriver à ce résultat extrêmement ambitieux. Beaucoup de gens du métier disent que « c’est complètement fou, c’est impossible » mais un ancien responsable de la construction du LHC me disait il y a quelques mois que « c’est exactement ce que tout le monde disait dans les années 80 en parlant du LHC, mais c’est aujourd’hui une réalité et un succès, alors pourquoi serait-ce différent avec le FCC ? ».

En effet, maintenant que le LHC fournit ses résultats et que le boson de Higgs a été découvert à une énergie de 125 GeV, la communauté internationale étudie dès à présent l’ère post-LHC.  Lors de la dernière réunion de la stratégie européenne en physique des particules à Bruxelles en mai 2013, plusieurs grandes priorités pour l’Europe ont été définies dont la nécessité de commencer à étudier des accélérateurs protons-protons et électron-positrons repoussant la limite d’énergie à la frontière des technologies possibles (voir le résumé ici).

FCC_membersParticipants au meeting du coup d’envoi pour le FCC à l’université de Genève en février 2014. ©CERN.

Le CERN doit maintenant rendre une étude conceptuelle détaillée (CDR pour Conceptual Design Report) comprenant les différents aspects du FCC pour la physique, les détecteurs, les accélérateurs et les infrastructures associées pour 2018, date à laquelle une décision devrait être prise par l’Europe, tout en considérant les données fournies par le LHC pendant sa deuxième phase d’exploitation 2015-2018.

Les différents projets

Le FCC encapsule 3 projets de collisionneurs circulaires d’une centaine de kilomètres :

  • FCC-hh : Un collisionneur hadronique proton-proton avec une énergie de 100 TeV au centre de masse (pour comparaison, le LHC est à 14 TeV)
  • FCC-ee (anciennement dénommé TLEP) : Un collisionneur leptonique électron-positron fournissant des faisceaux à des énergies de 45 GeV à 175 GeV (pour comparaison, le LEP2 était à 104 GeV par faisceau).
  • FCC-he : Un collisionneur lepton/hadron réalisant des collisions entre des protons et des électrons à ces énergies.

Le FCC-ee serait en fait une étape intermédiaire pour étudier les bosons W/Z ainsi que le quark top et bien sûr le boson de Higgs en détail avant de construire le FCC-hh qui serait véritablement le projet final pour repousser la limite de l’énergie et trouver de nouvelles particules massives. L’approche est un peu analogue avec l’expérience du LEP (électron/positron) qui a cédé la place au LHC (proton/proton) par la suite.

La taille du FCC n’est pas encore arrêtée car elle est fonction des surcoûts liés au génie civil (plus c’est grand, plus c’est cher) et au surcoût engendré par les aimants qui doivent être plus puissants si l’accélérateur est plus petit pour la même énergie. De plus, les contraintes géographiques peuvent avoir un impact significatif (lac, montagne, …) sur le génie civil. Les études portent donc sur des versions à 80 km et à 100 km de circonférence pour comparer sérieusement les différentes options qui peuvent s’offrir à nous.

Dans ces 3 projets ambitieux, plusieurs technologies clef sont encore à démontrer pour leur faisabilité, en particulier :

  • Pour le FCC-hh : la capacité de fabriquer en grande quantité des aimants supraconducteurs de 16 Teslas (pour la version 100 km) ou 20 Teslas (pour la version 80km).
  • La capacité de refroidir à une température cryogénique l’ensemble des 100 km d’aimants supraconducteurs de manière réaliste et fiable.
  • Pour le FCC-ee : La capacité de développer des structures accélératrices plus efficaces car il faut compenser environ 7,5 GeV de perte synchrotrons à chaque tour pour des électrons, soit une puissance de 50 MW à apporter à chaque faisceau de manière continue.

 FCC_cryoEvolution de la capacité de refroidissement cryogénique à 4,5 K nécessaire aux accélérateurs existants et projection pour le FCC. © Laurent Tavian.

Le coût

En termes de coût, il est actuellement impossible de donner un chiffre car il y a encore de nombreuses inconnues mais on peut tenter d’extrapoler à partir des expériences passées (LEP et LHC). On peut ainsi estimer le coût à environ 8 milliards d’euros pour le FCC-hh et à 1,5 milliards d’euros pour le FCC-ee (source ici). En termes de consommation électrique, il faut compter environ 450 MW pour le FCC-hh, ce qui représente 4 fois la consommation du LHC. C’est beaucoup mais ça reste dans le domaine du possible sous réserve de développer quelques nouvelles technologies, d’autant que le coût de construction est à distribuer sur au moins une décennie et à répartir entre tous les pays membres du CERN, soit 28 pays.

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