Des plasmas froids aux lasers en passant par les neutrinos, etc.

De la contribution des sciences dures à l’amélioration de la performance des athlètes aux lasers impulsionnels aux applications multiples, en passant par une vision dynamique du climat, les plasmas froids, une approche « éconophysique » des interactions individuelles,… Tels sont quelques-uns des champs et thématiques de recherche que nous avons pu aborder le 16 octobre dernier, rien qu’au cours d’une visite de laboratoires du campus de Polytechnique. En voici un premier écho, à travers notre récit de journaliste non scientifique et néanmoins revenu emballé des échanges avec les chercheurs, dont le lauréat français du prix Nobel de physique 2018 !

Ecouter des chercheurs et ingénieurs de recherche passionnés est toujours une expérience… passionnante, même quand ils traitent de sujets très pointus ou requérant un minimum de connaissances dans les sciences dites dures ou du vivant, ou encore une familiarité avec les équations mathématiques et la modélisation. Vous avez beau être béotien, vous vous surprenez à vous laisser emporter par leur enthousiasme et même à saisir l’enjeu de leurs travaux de recherche.
C’est ce qui nous a été donné à vivre, à l’occasion d’une journée de visite des laboratoires de l’École polytechnique, organisée à l’attention des journalistes. Lesquels furent nombreux à faire le déplacement. Façon de dire : l’X avait mis à disposition une navette au départ de Denfert-Rochereau… – mais il est vrai qu’il ne fallait pas prendre de retard tant le programme était dense (pas moins d’une demi douzaine de laboratoires à visiter) et organisé à la minute près. Il ne s’agissait tout de même pas d’abuser du temps des chercheurs, qui nous accueillaient.

Des sciences dures au service des athlètes des JOP 2024

9 h 00 : Comme pour donner le ton à cette journée « marathon », la visite débute avec le Laboratoire d’Hydrodynamique (LadHyX, École polytechnique/CNRS) pour une présentation du programme Sciences 2024. L’occasion pour nous d’y revoir Christophe Clanet, qui porte le projet et que nous avions interviewé le jour de sa présentation le 4 septembre dernier (pour accéder à l’entretien, cliquer ici).
Pour mémoire, et comme il le rappelle, il s’agit de mobiliser les sciences dites dures (physique, mathématiques et mécanique) pour améliorer les performances de nos athlètes qui concourront aux Jeux Olympiques et Paralympiques (JOP) de 2024. Sur le modèle de ce que l’Angleterre avait fait avec des résultats que l’on sait : en l’espace de quelques olympiades, le pays était passé dans le classement des médailles de la 36e place, en 1996 (JOP d’Atlanta), à la 2e, en 2016 (JOP de Rio).
Ambitieux, Sciences 2024 ne réunit pour l’heure que de grandes écoles, mais Christophe Clanet dit ne pas désespérer de convaincre des universités de s’y associer. Etant entendu que le chronomètre a été enclenché. C’est que, pour escompter produire des résultats, il faut bien lancer les thèses Cifre – car c’est bien dans ce cadre que les recherches seront pour partie financées – suffisamment à temps pour que les résultats profitent aux athlètes. Spontanément, on pense à l’apport des STAPS, mais Christophe Clanet insiste : c’est bien les sciences dures qu’il s’agit de mobiliser, pour améliorer, quand c’est possible, les équipements et matériaux utilisés par ces derniers, et non les sciences qui se consacrent déjà aux aspects plus physiologiques et comportementaux de la performance.
Coté fédérations sportives et athlètes, plusieurs se sont déjà montrés intéressés et non des moindres (comme la Fédération Française de Ski et le biathlonien Martin Fourcade) et ont accepté la condition émise par les chercheurs de Sciences 2024 : pouvoir « extraire » les athlètes ayant le plus de chance de remporter une médaille, une journée, le temps de suivre un de leur entraînement et d’échanger avec eux et leur coach ou entraîneur. A défaut de permettre des améliorations, les résultats et c’est aussi l’intérêt de la démarche, peuvent aider à expliquer l’optimum auquel nos athlètes parviennent par eux-mêmes ou, à l’inverse, faire apparaître des facteurs sur lesquels ils n’ont pas prise, ce qui leur permet de concentrer leur attention sur d’autres aspects sur lesquels ils peuvent escompter une amélioration de leur performance, aussi infime soit-elle. En guise d’illustration, Christophe Clanet cite le cas des tireurs dont le tir est impacté par des phénomènes mécaniques contre lesquels ils ne peuvent rien. C’est du moins ce qui ressort des études qui ont été réalisées, au moyen de capteurs conçus à cet effet.
Référente scientifique de Sciences 2024, Caroline Cohen nous rejoint pour rendre compte d’autres travaux de recherche menés dans ce cadre. Certains sont proprement spectaculaires puisqu’ils portent sur les commotions cérébrales comme celles qui se produisent dans la boxe, bien sûr, mais aussi et de plus en plus fréquemment, au rugby.
Après force diapositives et vidéos et quelques expériences, on passe à la présentation en vrai de dispositifs de recherche. Nous voilà dans une salle adjacente, d’une vingtaine de mètres carrés, où a été aménagé un bassin agrémenté d’équipements aux allures de prototypes. Un futur docteur (il devait soutenir sa thèse le lendemain), y mène des expériences pour améliorer le déplacement d’avirons. Un sujet de Sa Majesté vient pour apporter des explications complémentaires sur des pièces spécialement usinées. On s’amuse à lui demander s’il travaille pour le compte des équipes olympiques et paralympiques françaises ou celles de son pays. Sa réponse fuse, qui ne laisse aucun doute sur la sincérité de sa motivation : « Je travaille pour l’équipe des sciences ! »
Puis sortie à l’extérieur, où trône un conteneur aménagé pour y tester le fartage de skis. Pour les besoins des expérimentations, il est en principe empli de neige reconstituée artificiellement. Pas ce jour-là, pour cause de maintenance. Mais les expériences ont déjà été réalisées avec des résultats probants : à défaut de mettre en évidence une marge de progression, elles auront permis d’expliquer pourquoi les skieurs parvenaient par eux-mêmes à un fartage optimal. Les voilà qui pourront donc se concentrer sur d’autres facteurs d’amélioration possibles.

Une approche dynamique de l’atmosphère

Il est déjà 10 h 30 et donc le temps de passer à l’autre visite : celle du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) – une unité mixte de recherche (UMR) École polytechnique / École Normale Supérieure/Sorbonne Université/CNRS) – situé de l’autre côté du campus. Une navette nous attend. Nous aurions pu y aller à pied, vu le beau temps, fait-on remarquer. Mais ce serait autant de temps de moins pour la discussion avec les chercheurs. Ce qui serait dommage. D’autant que les recherches dont il est question sont au cœur de l’actualité brûlante, liée aux inondations intervenues dans l’Aude. Nous y attend le directeur en la personne du fringant Philippe Drobrinski, manifestement rompu aux relations avec la presse. Il s’attend à une avalanche de questions sur ladite actualité, mais elles tardent à venir. C’est que les journalistes demandent d’abord à en savoir plus sur les thématiques de recherche. Ils ne seront pas déçus, nous non plus.
D’emblée, Philippe Drobrinski attire notre attention sur la mention du mot « dynamique » dans le nom de son laboratoire. L’enjeu est bien d’analyser l’atmosphère en mouvement, une approche innovante au moment de la création du laboratoire, en 1968 (toute relation avec les événements s’étant produits cette année-là étant fortuite). Le laboratoire est outillé pour travailler sur la circulation atmosphérique qui se produit sur terre, mais aussi extra-terrestre (des planètes Mars, Titan, Saturne,…), faire de la climatologie comparée entre les différentes régions du globe… Pour mener à bien ses recherches, le LMD conçoit des équipements spécifiques (pas moins de 150 actuellement).
La diversité de ses axes de recherche l’amène à collecter une masse de données, à toutes les échelles spatiales et de temps, par télédétection ou in situ (grâce à des thermomètres et des capteurs). Des données en accès libre pour la plupart, téléchargeables depuis son site web.
Le laboratoire participe au Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique (SIRTA), un observatoire atmosphérique de recherche multi-instrumenté, fondé plus récemment, en 1999, par l’X et l’Institut Pierre Simon Laplace, une structure fédérative dédiée à l’observation et la compréhension du climat et des processus atmosphériques. Il mobilise près de 200 chercheurs, dont la moitié sur le site de Polytechnique (les autres étant répartis entre l’ENS et Sorbonne Université). Les organismes pour lesquels il mène des missions ont pour nom le CNES, la Nasa, l’Agence spatiale européenne… Sans oublier le GIEC au rapport duquel il contribue (pour le volet simulations).
Mais le LMD a aussi des voisins tout proche et non des moindres : EDF Lab, dont on perçoit les bâtiments à quelques encablures, ou encore l’Onera, dont les thématiques de recherche recoupent pour partie les siennes. Interagit-il aussi avec eux ? s’enquiert-on. Réponse positive de Philippe Drobrinski.
On est tellement attentif aux propos qu’on ne relève pas d’emblée le contraste entre les enjeux des recherches et mesures réalisées ici et l’allure des locaux en forme d’Algeco. Une illustration au passage de cette aptitude de chercheurs à cultiver une relative frugalité pourvu qu’on leur permet de se consacrer à leur passion, la recherche.
Le LMD est, apprend-on par ailleurs, le seul observatoire de cette dimension, à poursuivre ses activités dans une mégapole. Jusqu’à quand ? La question se pose d’autant plus que la pression urbaine se fait plus forte. L’ingénieur chercheur qui poursuit la visite se veut confiant : « On dispose assez d’espace [la parcelle occupée par le LMD fait 2,5 ha] pour ne pas subir trop de perturbations ». Le directeur annonce d’ailleurs la construction d’un bâtiment à l’horizon 2019 (500 m2 avec une toiture instrumentée).
Naturellement, on ne quitte pas les lieux sans évoquer les inondations. Pouvait-on les prévoir ? La question donne lieu à de subtiles et éclairantes précisions sur la différence entre prévisibilité et prévision. On en retient aussi que les logiciels exploités par les chercheurs se heurtent encore aujourd’hui « aux caprices de la nature ».
Un ultime détail retient notre attention, avant de remonter dans la navette : des panneaux photovoltaïques. Explication : il s’agit d’un démonstrateur développé avec des industriels. C’est qu’ici, on œuvre aussi à la transition énergétique. Philippe Drobrinski porte d’ailleurs un projet interdisciplinaire, Trend-X, qui vise à émettre plusieurs disciplines scientifiques (maths, économie, informatique, ingénierie, etc.) au service du développement durable.

Tout (ou presque) ce que vous vouliez savoir sur les neutrinos

11 h 30 : c’est au tour du Laboratoire Leprince-Ringuet Physique des deux infinis (LLR, École polytechnique/CNRS). Comme son nom l’indique, le célèbre savant y a travaillé, une fois nommé professeur à Polytechnique, mais c’était avant l’installation de l’école sur le Plateau de Saclay. Les techniques ont depuis bien changé (une diapositive donne à voir Leprince-Ringuet procédant à des mesures sur l’Aiguille du Midi depuis une sorte de remontée mécanique…).
On pensait avoir fait le plein d’émerveillement. C’était sans compter avec la présentation des thématiques de recherche de ce laboratoire, pourtant parmi les plus éloignées de nos champs de compétences. C’est que la personne qui assure cette présentation, Jean-Claude Brient, en présence de son directeur (Olivier Drapier), est de ces chercheurs passionnés et passionnants.
La référence aux « deux infinis » trouve rapidement son explication : le laboratoire étudie autant la physique des particules que des astroparticules (« les phénomènes physiques sous-jacents aux phénomènes observés dans l’espace »). Sous l’apparente austérité de ses bâtiments, on comprend très vite que la laboratoire est connecté avec le reste du monde : il travaille avec plusieurs équipes implantées sur pratiquement tous les continents, à travers divers programmes ou expériences. Il n’en est pas moins aussi en interaction avec l’écosystème Paris-Saclay (ne serait-ce qu’au travers du projet d’accélérateur de particules par laser, Apollon, sur lequel on reviendra plus loin).
Jean-Claude Brient s’attarde sur les particules qui l’occupent tout particulièrement : les neutrinos. Ceux-ci n’ont désormais presque plus de secret pour nous : ce sont les particules, qui apparaissent lors d’une réaction nucléaire naturelle (solaire) ou artificielle (dans un réacteur, donc) avec la transformation d’un neutron en proton. Ils se caractérisent encore par des interactions nucléaires faibles (inférieures à des interactions électromagnétiques). De là la difficulté à les détecter.
Les circonstances de leur découverte n’en est que plus passionnante : leur existence n’a été postulée qu’en 1930, par le physicien autrichien Wolfgang Pauli, puis confirmée expérimentalement quelques décennies plus tard, en 1956. Ouf ! Serait-on tenté de dire, car leur existence permet de comprendre ce qui est demeuré un mystère avec le développement de la physique nucléaire : l’apparente perte d’énergie qui semble se produire en cas de transformation d’une particule. Un constat qui allait à l’encontre du postulat suivant lequel l’énergie ne se perd pas, mais se transforme.
Nous reviennent alors en mémoire les propos d’Etienne Klein (dans un entretien qu’il nous a accordé – pour y accéder, cliquer ici) sur la capacité de la théorie à formuler des hypothèses, même en l’absence de données… Il nous semble que l’histoire des neutrinos en fournit une belle illustration.
Reste que si leur existence est avérée et combien ! (on estime à 64 milliards leur quantité par cm2 et par seconde), elles sont difficilement détectables. D’autant qu’elles ont la capacité à traverser la terre entière – seule une « perte » est à déplorer sur 100 milliards…
Ces particules sont si particulières qu’il faut recourir à d’étranges métaphores pour les décrire : Jean-Claude Brient parle ainsi de colibrant (contraction de colibris et d’éléphant…) et d’éléphis (l’inverse)…
Paradoxalement, des observatoires toujours plus gigantesques sont nécessaires pour les étudier : après Super-Kamiokande (50 000 tonnes d’eau ultra pure, 40 m de haut, autant de diamètre, 1 2000 tubes photomultiplicateurs), on s’apprête à construire Hyper-Kamiokande (230 000 tonnes, 78 m haut, 74 de diamètre  – de quoi y placer Notre Dame de Paris – 40 000 tubes) – les travaux devant démarrer en 2020 pour s’achever (si tout va bien) en 2027 (tiens l’année, de l’arrivée de la ligne 18 du Grand Paris-Express…). Notre chercheur parle de ce projet avec d’autant plus d’enthousiasme qu’il participe à sa conception, le développement étant assuré par des ingénieurs en informatique, mécanique, électronique, instrumentation, dont certains présents sur le campus.
Juste avant de quitter la salle, notre regard est accroché par des posters affichés sur le mur. L’un rappelle la contribution du LLR, de ses physiciens, ingénieurs et techniciens à la découverte du Boson de Higgs (qui a valu le prix Nobel de physique 2013 à F. Englert et P. Higgs), l’autre, à la découverte des oscillations de neutrinos ayant permis de prouver que ces particules ont une masse (et qui a valu, elle, en 2015, le même prix Nobel à Tataaki Kagita et Arthur B. MacDonald). Nous quittons la salle avec encore plus d’étoiles (de neutrinos ?) dans les yeux. Et pourtant, nous ne sommes pas au bout de nos surprises.

12 h 30 : Le moment est venu de se restaurer. Les organisateurs joignent l’utile à l’agréable, en conviant outre le responsable du centre d’innovation et d’entrepreneuriat de l’X, des porteurs de projet de start-up et de spin-off. Nous vous en dirons plus au travers des micro-entretiens que deux d’entre eux nous ont consacrés : Raphaël Tomasi et Robin Guillard. Précisons juste que le premier est en phase d’idéation d’un projet de start-up, visant à améliorer les tests sur cellules, réalisés en laboratoire. Quant au second, il a déjà cofondé une start-up (Zeta Technologies), qu’il préside, en vue de développer une solution innovante pour soulager les personnes souffrant d’acouphènes.

Une approche « éconophysique » des interactions individuelles

14 h : Retour au LadHyX, cette fois pour un présentation d’un nouveau champ disciplinaire : l’éconophysique. Le principe ? « Appliquer la démarche du physicien à l’économie en observant et en modélisant pour reproduire la réalité économique dans des modèles qui prennent en compte les interactions entre agents » peut-on lire dans le programme. La présentation qu’en fait Michael Benzaquen, qui préfère mettre en avant la désignation anglo-saxonne de cette approche – « Statitics Physics of Socio-Economic Systems » – permet d’en comprendre l’intérêt, comparé à la science économique standard : là où celle-ci s’ingénie à expliquer les phénomènes socio-économiques, à partir de la rationalité pure et supposée des individus, elle, met davantage en avant les interactions et les effets induits (soit bien plus que la somme des actions individuelles).

En bon pédagogue, Michael Benzaquen illustre son propre en donnant à voir pour commencer une magnifique séquence de nuée d’étourneaux au-dessus de la ville de Rome (pour le visionner, cliquer ici), puis des images de différents phénomènes collectifs : une ola dans un stade, des lucioles synchronisées,… Nous avons si bien compris là où il veut en venir qu’on s’autorise une objection : à trop focaliser sur les interactions, l’éconophysique (appelons la donc ainsi), ne sous-estime-t-elle pas le rôle de l’environnement ou du contexte ? Réponse : non, bien sûr ! C’est seulement concision du propos à laquelle la contraint le timing, qui l’a empêché de rendre compte de cet aspect de la démonstration.
On suit d’autant plus la suite de l’exposé sur les applications dans le domaine financier, que c’est un univers qu’il connaît particulièrement bien pour avoir travaillé au sein d’un hedge fund. Depuis, il a fait le choix de se consacrer à la recherche tout en enseignant à l’ENSAE, l’école installée depuis peu sur le campus de Polytechnique, contribuant ainsi développement de cette discipline qui devrait connaître un coup d’accélérateur avec la création d’une chaire. A suivre, donc.

Des plasmas froids, chauds et thermiques

Il est 15 h. Direction le Laboratoire de Physique des Plasmas (LLP), une UMR École polytechnique/CNRS/Sorbonne Université/Université Paris-Sud/Observatoire de Paris. Nous sommes accueillis par Antoine Rousseau, qui nous fait découvrir le domaine des plasmas, donc. A l’évocation du mot, on pense spontanément au plasma sanguin. En réalité, le terme sert à désigner des milieux très variés selon leur degré de ionisation : les plasmas froids, correspondant à une ionisation de moins de 0,01% (soit l’équivalent d’une petite décharge électrique), les plasmas chauds (les étoiles, intégralement ionisées), enfin, les plasmas intermédiaires, dits thermiques (la foudre, par exemple). Autant de plasmas sur lesquels travaillent les équipes du LLP.
Celle d’Antoine Rousseau concentre ses efforts sur les plasmas froids. On suit d’autant plus le propos que les applications sont variées : elles concernent aussi bien le domaine médical (la dermatologie, l’oncologie,…) que l’agronomie (lls contribuent à accélérer la germination de graines). Des domaines qui amènent notre chercheur et ses collègues à travailler avec des spécialistes d’horizons bien différents du leur : des médecins, des biologistes ou des agronomes. Tant et si bien que le même Antoine Rousseau nous prie de l’excuser pour le caractère plus approximatif de ses propos quand il se risque à fournir les explications avancées par ces derniers. On est plutôt impressionné par l’apparente aisance avec laquelle il rend compte de travaux de recherche éminemment pluridisciplinaire. Le même reconnaît n’avoir pas toujours l’explication aux phénomènes physiques que lui et son équipe mettent au jour dans leur propre domaine de compétences, les plasmas froids. Des propos qui font écho à ce que d’autres chercheurs rencontrés au fil de notre visite auront dit à leur façon. A se demander si le propre du chercheur n’est pas, en plus de produire des connaissances, d’accepter d’avancer à tâtons et la nécessité pour lui de savoir être d’autant plus patient, en attendant le moment où il relèvera le détail qui fournira la clé d’explication moyennant une interprétation pertinente. On aura reconnu là le principe de la sérendipité. Un mot peu évoqué par nos chercheurs, mais dont on comprend qu’il imprègne leur vision des modalités de la découverte scientifique.
Mais revenons-en à nos plasmas froids dont les spécialistes, précise encore Antoine Rousseau, en réponse à une question, forment une communauté encore restreinte. Et néanmoins manifestement internationale, à en juger par les jeunes chercheurs qu’on rejoint dans un laboratoire : trois Chinois, qui s’emploient à faire des essais en vue d’accélérer la germination de graines.
On ne peut s’empêcher de s’amuser à relever, dans cet espace restreint, des clés de douze et d’autres outils ordinaires au milieu d’instrumentations expérimentales. La recherche de pointe, c’est cela aussi.

Interactions laser-matière, physique « extrême »

Même impression à l’occasion de la visite d’un autre labo, où est en train d’être construit un amplificateur de laser, mais auquel on accède cette fois via un sas et en devant chausser blouse, charlotte et sur-chaussures de protection. Nous sommes au Luli, quatre lettres pour Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses – une UMR École Polytechnique/CNRS/CEA/Sorbonne Université – le dernier à figurer dans le programme de visite.
Ainsi que l’explique Jean-Christophe Chanteloup, qui nous accueille, on y traite d’interactions laser-matière, de physique à Haute Densité d’Energie, de physique « extrême », de science des matériaux… Parmi les plus importants programmes dans lesquels il est engagé : XCAN, qui vise la « construction d’un laser très puissant avec des fibres optiques qui amplifient chacune la lumière avant d’être recombinées entre elles ». Naturellement, il prend part aussi à la conception d’Apollon. A défaut de saisir tout le sens des explications théoriques fournies, on mesure la portée des applications, comme celle visant à lutter contre la pollution de l’espace où, le sait-on, se sont accumulés au fil du temps des débris de satellites…
La visite se termine, cerise sur le gâteau, par une rencontre avec Gérard Mourou, lauréat du prix Nobel de physique 2018 en physique (avec Donna Stickland et Arthur Ashkin), qui explique en quelques slides l’enjeu de sa découverte et ses applications. Parmi ces slides, une ne manque pas de faire sourire. Elle représente des personnes sur une remontée mécanique. Comme celle où Gérard Mourou dit s’être trouvé (avec sa femme) au moment où se produisit chez lui le déclic qui lui fit comprendre la technique à adopter pour amplifier des lasers.
Malheureusement, on doit écourter l’exposé car la navette qui ramène les journalistes à Paris doit partir à l’heure pile. Ah ! Ces confrères et consœurs qui n’ont pas jugé utile de rentrer par leurs propres moyens, quitte à gouter aux charmes du RER B et des marches conduisant à la station de Lozère ! On ne le regrettera pas davantage car cela nous a valu le privilège de faire une interview en tête à tête avec notre prix Nobel !
Interview que nous ne manquerons pas de partager avec vous, bien sûr. A bientôt donc.

A lire aussi les entretiens avec Gérard Mourou (mise en ligne à venir), Raphaël Tomasi  (cliquer ici) et Robin Guillard (cliquer ici).

Crédit photo : Jérémy Barande / École polytechnique.

Sylvain Allemand

Journaliste