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Physique, astrophysique, aérospatiale

Quel est l'avenir de la physique?

Science reine du siècle dernier, la physique est maintenant détrônée. Aujourd'hui et pour plusieurs années encore, les priorités nationales de recherche scientifique se traduisent par l'injection de sommes gigantesques dans les biotechnologies, la génétique et le développement des télécommunications. La recherche en physique a-t-elle une place aux côtés de ces colosses du 21e siècle?

« On ne peut prétendre faire de la biologie ou inventer des technologies sans l'aide d'instruments basés sur les principes de physique! », s'exclame Jean-Michel Poutissou, directeur associé du laboratoire Triumf (TRY University Meson Facility), l'installation nationale de physique subatomique à Vancouver. « La physique est partout, renchérit Raynald Laprade, directeur du Département de physique de l'Université de Montréal. Les 100 dernières années ont été celles de la formulation des grandes lois de la physique, et nous explorons maintenant leurs manifestations dans toutes les sciences. »

Qu'on se le tienne pour dit, le bataillon des Einstein, Newton et Planck suscite toujours autant de ferveur et de passion! Il doit toutefois combattre farouchement pour conserver sa place et ses troupes. Au cours des dernières années, les enveloppes budgétaires de recherche en physique subatomique et en matière condensée, notamment, ont rétréci au profit des priorités de l'heure. « Dans un sens, ces coupures ont eu de bons effets car les gens ont vivement réagi, dit Danielle Ménard, directrice des sciences physiques et mathématiques en matière de subventions de recherches au Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG). Ils se sont penchés sur leur situation, ce qui a donné lieu à l'établissement de plans quinquennaux et à des réajustements de fonds. » Le CRSNG accorde aujourd'hui des montants importants à des projets nationaux tels ceux de Triumf et de l'Observatoire de neutrinos de Sudbury. La physique de la matière condensée, qui inclut la physique des matériaux, récolte quant à elle la deuxième enveloppe budgétaire en importance.

Car s'il existe une discipline vedette en physique à l'heure actuelle, c'est bien celle des matériaux. Au Conseil national de recherches du Canada (CNRC), l'institut Steacie des sciences moléculaires et l'Institut des sciences des microstructures y consacrent beaucoup d'énergie. « Nous nous concentrons sur les matériaux que nous retrouverons dans l'électronique de demain, affirme Marie d'Iorio, directrice par intérim de l'Institut des sciences des microstructures. Aujourd'hui, nos travaux servent davantage l'industrie canadienne qu'il y a vingt ans. » Une situation qui ressemble à celle de l'ensemble des universités canadiennes.

Les découvertes des dernières décennies en physique ont pavé la route à de nombreuses applications dans les secteurs des télécommunications, de la micro-électronique et des sciences biologiques. Les connaissances fondamentales permettent de raffiner sans cesse les instruments et les technologies, qui ouvrent à leur tour de nouveaux champs d'applications. On explore les matériaux à des échelles toujours plus petites, on manipule des molécules, des atomes et même des électrons. Et les frontières éclatent.

La physique n'est plus le lot de chercheurs solitaires mais celui d'équipes de chimistes, de biologistes, de mathématiciens, d'informaticiens et d'ingénieurs. Surtout, la physique est génératrice d'économie : un peu partout, dans les universités et les centres de recherches, les programmes en physique s'accordent avec les besoins de l'industrie, la première étant celle des technologies de l'information et des communications (TIC).

« On assiste à un retour du balancier, témoigne Thomas Ellis, chercheur à l'Université de Montréal et coordonnateur national pour les recherches en infrarouge du Centre canadien de rayonnement synchrotron, qui ouvrira à Saskatoon en 2003. Oui, la recherche appliquée prend plus de place aujourd'hui, mais il faut veiller à ce que cela ne nous joue pas de tours. » Toutes les personnes abordées dans le cadre du présent dossier, d'ailleurs, craignent de près ou de loin les effets pervers de cet intérêt croissant pour la recherche appliquée. Si la rentabilité devient le critère principal du financement des recherches, on s'inquiète du jour où les connaissances fondamentales seront épuisées sans avoir été renouvelées. Qui plus est, nombre d'étudiants sont happés par l'industrie avant même d'avoir commencé leur maîtrise. Certains parlent d'une crise, d'autres parlent d'un cycle que la physique doit traverser.

Ancienne présidente de l'Association canadienne des physiciens et physiciennes (ACP), Marie d'Iorio convient qu'il faut garder l'œil ouvert. « Il ne faut pas oublier l'ensemble du spectre de la physique. Mais personnellement, je pense que la recherche fondamentale sera toujours garantie par... la curiosité des humains. »

Réflexion
« Je crois que nous traversons une crise extrêmement grave. Si nous ne cessons de verser massivement du côté technologique sans maintenir une capacité de recherche fondamentale, nous aurons de grandes surprises. » Selon Jean- Michel Poutissou, directeur associé de Triumf, la physique est particulièrement touchée par la pénurie actuelle de chercheurs. Le principal coupable : l'enseignement des mathématiques chez les élèves du primaire. « Les mathématiques sont la base de la physique. Fascinante à bien des égards, la discipline est pourtant perçue par les élèves comme effrayante. Je crois qu'il faut repenser l'enseignement des mathématiques. »

Triumf : le mystère de la Matière avec un grand M
« D'ici les 100 prochaines années, nous aurons réussi à élucider les grands mystères de notre univers et ceux de la matière dont on est faits », soutient Jean-Michel Poutissou. Point de rencontre d'étudiants et de physiciens venus des quatre coins du globe, le laboratoire Triumf a créé son premier faisceau de protons en 1974. Au départ, on voulait étudier les mesons, ces « particules colles » qui lient les protons et les neutrons formant le noyau atomique. Aujourd'hui, on se sert des protons pour comprendre les réactions nucléaires qui surviennent en fin de vie des étoiles. On tente de produire des noyaux radioactifs, extrêmement instables, tels que ceux générés par l'explosion de supernovae à des milliards de degrés. Le but : explorer les éléments lourds de notre univers, sans lesquels la vie telle que nous la connaissons serait impossible. « Nous entrons dans l'ère de l'astrophysique nucléaire, explique Poutissou, une physique très difficile. C'est tout un exploit que de réussir à produire ces noyaux exotiques. »

Les expérimentations sont faites à l'aide de l'accélérateur et séparateur isotopique ISAC, qui entre maintenant dans sa deuxième phase d'exploitation. Une subvention de 200 millions de dollars du fédéral a permis d'enclencher la construction du deuxième étage. Au terme de son développement, le laboratoire Triumf sera pourvu d'une fusée superpuissante de cinq étages, chacun des accélérateurs amenant les particules à une vitesse encore plus grande que le précédent. Les isotopes radioactifs produits par ISAC pourront également être utilisés dans le développement de techniques de traçage. De plus, leur durée de vie, extrêmement courte, est tout à fait appropriée - en médecine nucléaire - pour les études d'usure en industrie ou en biologie, pour suivre l'absorption d'azote par les plantes, par exemple.

Les scientifiques de Triumf s'affairent également à produire une des composantes du collisionneur Large Hadron Collider (LHC), de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), pour lequel le Canada s'est engagé en 1995. L'installation, située près de Genève, devrait provoquer en 2005 ses premières collisions à des énergies jamais atteintes. Un des projets du LHC, ATLAS, réunit une soixantaine de physiciens canadiens qui tenteront de trouver l'origine de la masse des particules élémentaires. Le principal suspect recherché? Nul autre que le boson de Higgs, une particule qui permettrait de camper définitivement le modèle standard expliquant à la fois les particules et les forces élémentaires auxquelles elles participent. « Le LHC est un des premiers grands projets globaux de la planète en physique subatomique », dit Jean-Michel Poutissou avec enthousiasme.

Argent, installations, puissance... Est-ce à dire que nous entrons aussi dans l'ère de la physique des appareillages? « Je ne crois pas, affirme Poutissou. Les meilleurs microscopes ont conduit aux grandes découvertes. Les questions qu'on se pose sont de plus en plus profondes et les appareils pour y répondre doivent être de plus en plus puissants. »

Réflexion
« Ce penchant pour la physique appliquée commence à nous inquiéter beaucoup,dit Mario Poirier, directeur du Département de physique de l'Université de Sherbrooke. De plus en plus, on exige, pour financer nos projets, qu'ils soient effectués en partenariat avec l'industrie. »

Le rayonnement synchrotron de l'Université de Saskatchewan, une première canadienne
Et la lumière fut! Après plusieurs années de discussions et de négociations, c'est décidé : l'Université de Saskatchewan sera la source canadienne de rayonnement synchrotron, une lumière si puissante qu'elle perce les secrets de la matière à l'échelle du nanomètre (1 milliardième d'un millimètre). Jusqu'ici, le Canada était le seul pays du G-7 à ne pas avoir de synchrotron. Les centaines de chercheurs et d'étudiants qui pliaient bagage chaque année pour aller profiter des installations étrangères pourront maintenant faire leurs expériences au Centre canadien de rayonnement synchrotron.

De la grandeur d'un terrain de football, l'accélérateur linéaire produit des électrons et les catapulte à 99,99 p. 100 de la vitesse de la lumière. L'énergie produite couvre une large portion du spectre lumineux et des longueurs d'ondes, et elle est récupérée par des stations expérimentales qui en modulent les caractéristiques selon les objectifs de recherche. On peut entre autres étudier la structure des protéines et les observer alors qu'elles interagissent avec d'autres molécules. « Pas moins de 60 p. 100 de la structure des protéines utilisée dans le design des médicaments est déterminée par des synchrotrons », souligne Thomas Ellis.

Définie comme le plus grand projet scientifique canadien des trente dernières années, cette « fabrique de photons » constitue un outil sans pareil pour produire des puces électroniques d'une petitesse et d'une puissance inégalées. Des milliards de fois plus brillante que le Soleil, cette lumière offre un potentiel sans fin en physique des matériaux. Au Canada, 25 p. 100 des utilisateurs du synchrotron seront des chercheurs de l'industrie, alors que cette proportion est de 10 p. 100 ailleurs dans le monde.

« À l'heure actuelle, sept stations d'expérimentation sont déterminées, et nous en avons proposé trois autres qui devraient être acceptées sous peu », précise Tom Ellis. De l'avis du chercheur, l'arrivée de la Fondation canadienne pour l'innovation (CFI) dans le paysage scientifique a donné un sérieux coup de pouce à ce projet d'envergure. Sur les 140 millions requis, l'organisme fournit un peu plus de 55 millions, sa plus large contribution jusqu'à ce jour.

L'Observatoire de neutrinos de Sudbury : étudier le Soleil sous la terre
Chaque jour, des dizaines de physiciens parcourent deux kilomètres sous la croûte terrestre pour aller se poster dans une immense cavité située près de la mine de nickel Creighton d'INCO, à Sudbury. Dans cet endroit obscur, ils guettent... des impulsions lumineuses. Les petits éclairs sont induits par des neutrinos, ces particules élémentaires produites par milliards par le Soleil, qui entrent en contact avec l'eau lourde du réservoir sphérique sous-terrain de 12 mètres. Parmi tous les neutrinos émis par le Soleil, le réservoir-détecteur de Sudbury en capte une vingtaine par jour.

« Nous avons choisi cet endroit parce que la croûte terrestre intercepte le rayonnement cosmique, si intense à la surface qu'il rendrait notre expérience impossible », précise Jacques Farine, physicien et associé de recherche à l'ONS. La quantité et la direction de la lumière produite par les neutrinos sont enregistrées par 10 000 tubes photomultiplicateurs installés sur une sphère géodésique qui entoure le réservoir transparent. Lancé en 1999, ce projet pourrait raffiner grandement nos connaissances de l'univers. On espère démontrer que les neutrinos ont une masse et que ceux produits par le Soleil peuvent se manifester sous trois formes différentes - tau, muon ou électron -, ce qu'aucun autre laboratoire mondial n'a réussi à faire de manière probante jusqu'ici. « Depuis trente ans, nos observations de neutrinos solaires sont en contradiction avec les prédictions des modèles, explique le Dr Farine. On peut calculer combien de neutrinos sont produits par le Soleil, mais nous observons seulement 30 à 50 p. 100 de ces neutrinos sur la Terre. » La raison serait que les neutrinos changent de « saveur » au cours de leur trajet. Ainsi, pendant son voyage dans l'univers, un même neutrino oscillerait d'une forme à une autre. « Cette oscillation expliquerait le 50 p. 100 de neutrinos que nous n'observons pas sur la Terre, l'unique saveur jusqu'ici recherchée étant les neutrinos électroniques », dit Farine. Par ailleurs, chaque saveur aurait une masse différente. Et s'ils ont une masse, les neutrinos pourraient contribuer à ralentir l'expansion de l'univers.

Les scientifiques de l'ONS recueillent des données selon trois procédures de mesure distinctes, chacune requérant de un an à un an et demi de travail. Cela permettra de distinguer le nombre de neutrinos électroniques du nombre total observé. Les scientifiques, provenant des quatre coins du globe, ont complété le premier mode de mesure et entament le deuxième. Déjà, les résultats sont encourageants. Qu'adviendra-t-il des installations une fois le projet terminé? « Notre centre est déjà un excellent détecteur de supernovae, soutient Jacques Farine. En observant le flux de neutrinos émis par une étoile, on peut étudier son mécanisme d'implosion. »

Réflexion
Physicien chercheur à l'Université McGill, François Corriveau s'intéresse notamment à la composition des protons. « Le Québec préfère la physique appliquée ainsi que les retombées économiques rapides; personnellement, je subis ce choix régulièrement. Quand nos projets ne présentent pas d'applications à courte échéance, nous nous demandons toujours comment nos demandes de subventions seront interprétées. »

Énergie atomique du Canada : un souffle nouveau
Précurseurs des populaires réacteurs nucléaires CANDU, les tout premiers réacteurs de recherche d'Énergie atomique du Canada limitée (EACL) rendent leur dernier souffle. Déjà, le réacteur National Research Experimental, mis en marche en juillet 1947, est fermé. Et d'ici quelques années, le National Research Universal, exploité pour la première fois en 1957, sera mis hors service. La fermeture de ces engins, qui ont forgé la marque de commerce d'EACL, laisse-t-elle présager un pâle avenir pour le noyau canadien de la recherche nucléaire?

Pas nécessairement. Pour combler le fossé créé par la disparition de ces deux réacteurs d'importance, EACL propose le Centre canadien de neutrons (CCN). Destiné à la recherche sur les matériaux, ce projet a été mis sur pied en collaboration avec le CNRC. Il est fondé sur la technologie des réacteurs de recherche MAPLE. On envisage d'implanter le centre à Chalk River, où deux de ces réacteurs sont en construction. « Le CCN est une composante critique pour nous, souligne Ian Hastings, directeur des initiatives stratégiques chez EACL. Nous avons 32 réacteurs CANDU répartis dans plusieurs pays et leur suivi est capital pour la sécurité. Cette installation de recherche alimenterait à la fois le support que nous offrons à nos clients et la conception de nouveaux CANDU. » Les faisceaux de neutrons générés par la fission atomique serviraient à étudier et à mettre à l'essai des matériaux de construction davantage performants et plus sécuritaires pour les réacteurs. Pour le CNRC, le centre serait une plate-forme unique de recherche sur les matériaux industriels, les supraconducteurs à haute température et les matières biologiques. Acceptée officieusement par le fédéral en 1999, la proposition devrait recevoir une réponse définitive d'ici peu.

Générant 15 p. 100 de l'électricité au Canada, Énergie atomique du Canada lorgne aussi du côté de l'hydrogène. Les nouvelles générations de réacteurs CANDU pourraient, en effet, devenir les courroies de transmission de centrales productrices d'hydrogène, une réponse au besoin croissant d'énergies renouvelables et moins polluantes.

Coup d'oeil sur le Québec
Pour le Québec, pas question de traîner de la patte. La physique québécoise entre dans le 21e siècle sur la même vague que le Canada, celle des matériaux.

Université de Montréal
Le Département de physique a défini deux pôles principaux de recherche : l'astrophysique et, bien sûr, la physique des matériaux. Depuis longtemps, les recherches en astrophysique théorique de ce département se démarquent, comme en témoignent les travaux de Gilles Fontaine sur les étoiles naines blanches. L'astrophysique expérimentale, quant à elle, s'est développée autour de l'instrumentation infrarouge. Conçue par des chercheurs de l'Université de Montréal, la caméra MONICA (MONtreal Infrared CAmera) est utilisée sur le télescope Canada-France-Hawaï. De l'avis du directeur, Raynald Laprade, la cosmologie est la discipline qui prendra le plus d'expansion au cours de la prochaine décennie. Le département participe entre autres aux expériences de Triumf, en plus de poursuivre ses activités en collaboration avec l'Observatoire du Mont-Mégantic.

Trois des groupes de recherche se concentrent en physique des matériaux : matière condensée, plasmas et biophysique. L'Université abrite par ailleurs l'un des deux plus importants laboratoires nationaux pour le traitement des matériaux par faisceaux d'ions. « Cette technique d'implantation ionique induit de nouvelles propriétés de transport aux matériaux qu'on utilise en micro-électronique », explique Raynald Laprade.

Réflexion
« Nous sommes en train de dilapider le capital de connaissances que nous avons accumulées au cours du siècle dernier, soutient Raynald Laprade, directeur du Département de physique de l'Université de Montréal. Nous avons un urgent besoin de gens sages pour conseiller nos politiciens. C'est la seule façon de garder un juste équilibre. »

Université Laval
Le 9 février dernier, le Département de physique devenait le Département de génie physique et d'optique. C'est dire combien la science des photons, qui occupe la majorité des physiciens, oriente ici les activités de recherche. Les travaux sont tournés notamment vers l'étude des lasers et la mise au point de matériaux de communication optiques. « Le nombre d'étudiants inscrits a doublé ces deux dernières années! », lance Roger A. Lessard, directeur du département. Les professeurs du groupe de recherche en astrophysique, qui scrutent les étoiles et l'évolution des galaxies, collaborent aussi au développement des instruments optiques de pointe. « Ici, tout le monde fait de l'optique! », signale le directeur.

Université de Sherbrooke
À Sherbrooke, tous les physiciens s'intéressent à une seule et unique chose : les matériaux. Plusieurs des supraconducteurs aux températures plus hautes que celles observées jusqu'à maintenant sont des matériaux anisotropes. Les cristaux de ces matériaux ont des propriétés physiques qui varient selon leur direction. Le Département de physique étudie de près les interactions entre les particules de ces matériaux pour mieux comprendre la supraconductivité à haute température. Les recherches sur les supraconducteurs, d'un intérêt extraordinaire pour les TIC, s'opèrent également à l'échelle du nanomètre. « La grande question, dit le directeur Mario Poirier, est de savoir où va s'arrêter la miniaturisation des dispositifs! Les effets quantiques de ces nouveaux matériaux sont très importants et il faut arriver à bien les maîtriser. »

Université McGill
Ici, la science des matériaux n'est pas seulement la priorité du Département de physique, mais aussi celle de tout l'établissement. Les unités de chimie et de génie de l'Université se penchent sur les aspects appliqués de ce type de recherche alors que le Département de physique s'intéresse aux aspects fondamentaux. Un professeur, Peter Grütter, vient d'ailleurs de recevoir une subvention de 9,4 millions pour mettre sur pied Nanotools, une infrastructure destinée à l'étude et à la fabrication de nanotechnologies. La physique subatomique mobilise aussi une bonne partie des activités du département. « Même s'il ne s'agit pas d'une discipline en expansion, constate Jean Barrette, directeur du département, la physique des particules est en pleine ébullition. Les installations gigantesques et les immenses accélérateurs exploités un peu partout dans le monde témoignent de la grande curiosité que notre univers suscite! » Il vient d'engager la toute première astrophysicienne du département. « La physique subatomique est la discipline où il y a le plus de départs pour la retraite actuellement. Nous voulons maintenir les effectifs pour assurer la continuité de ce type de recherche dans notre unité, inauguré par le passage d'Ernest Rutherford au début du siècle dernier. Car c'est de la recherche fondamentale que jaillissent les grandes découvertes. »

INRS - Énergie et matériaux
L'Institut national de recherche scientifique (INRS) consacre toute une unité aux matériaux. Grâce aux propriétés conductrices de polymères biodégradables, les scientifiques d'INRS - Énergie et matériaux s'attaquent à de nouvelles façons de guérir les blessures de la moelle épinière. La greffe de nerf pourrait ainsi être remplacée par le recours à un petit tube de plastique conducteur qui, stimulé par des charges électriques, enclencherait la régénération des cellules nerveuses avant de se dégrader. Les chercheurs travaillent aussi à créer des matériaux radioactifs qui entreraient dans la fabrication de stents, ces petits ressorts métalliques qui aident à garder les artères ouvertes après une angioplastie. La radioactivité freinerait la multiplication des cellules qui bloquent de nouveau l'artère dégagée lors de l'intervention chirurgicale. À l'aide des plasmas, ces fluides composés de gaz, d'ions et d'électrons, les scientifiques travaillent également à mettre au point des procédés de gravure visant à produire, par exemple, des dispositifs aux dimensions encore plus petites que le micron. L'Institut cherche par ailleurs à créer des électrodes pouvant détecter des traces infimes de polluants contenus dans des liquides.

Sophie Payeur

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