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septembre 2008

Les laboratoires souterrains au service de la physique

Pendant longtemps les seuls ouvrages souterrains étaient des tunnels ou des mines ; les premières "salles” souterraines ont été les centrales hydro-électriques (plus de 400 aujourd’hui dans le monde), suivies par les cavernes de stockage d’hydrocarbures, avant de se diversifier. Depuis les années 1960, deux domaines nou­veaux ont pris corps autour de nouveaux problèmes de physique, les accélérateurs de particules souterrains et la quête des neutrinos venus de l’Espace.

Les accélérateurs de particules

L’étude des éléments de plus en plus petits qui compo­sent la matière est obtenue par la détection des “éclats” formés lors d’une collision : un accélérateur lance des particules à très haute vitesse et énergie, et des détec­teurs analysent les particules produites. S’il existe des accélérateurs linéaires, la disposition annulaire d’un synchrotron contraint les particules à tourner en rond entre les pôles d’électro-aimants disposés le long d’un anneau, augmentant leur énergie à chaque tour.

L’énergie est couramment mesurée en GeV (Gigaélectronvolt), ou même en TeV, soit mille fois plus. La courbure des faisceaux de particules produit un rayonnement en direction radiale qui conduit à placer en souterrain les synchrotrons les plus puissants.

Le CERN : histoire des synchrotrons

À cheval sur la frontière franco-suisse à proximité immé­diate de l’aéroport de Genève, le CERN ( Centre Européen de Recherches Nucléaires) a d’abord installé en surface un premier anneau capable de 30 GeV, le PS (Proton Synchrotron), mis en service en 1959. Dès les années 60, le CERN a recherché le meilleur site pour implanter le suc­cesseur, appelé SPS (Super Proton Synchrotron) de 400 GeV défini comme un anneau souterrain de sept km de circonférence. La stabilité nécessaire a donné lieu à des études mécaniques du terrain de fondation pour comparer des sites proposés par les nations membres : craie du Kent en Angleterre, grès permiens des Maures en France et schistes primaires de l’Ardenne belge ; le choix final a tenu grand compte des installations existantes car le PS sert de pré-accélérateur pour le SPS ; l’anneau souterrain a été creu-sé dans la mollasse avec des tunneliers et mis en service en 1976. Une fois accélérés, les protons font un tour en 23 microsecondes.

Les succès du SPS appelant la phase suivante, le projet suivant des physiciens est un anneau long de 30 km, le LEP (Large Electron Positon) tangent au SPS en un point fixé (pour en recevoir des faisceaux de particules préala­blement accélérées). Sa position était donc fixée ne varietur, Les études géologiques ont souligné les risques de rencontrer au cœur du Jura des terrains peu favo­rables, gypses et cargneules, et le groupe désigné de trois experts en hydrogéologie et géotechnique des tun­nels (J. Lombardi, le professeur Burger, et P. Duffaut) a insisté sur les risques associés à la très forte couverture, atteignant 900 m : une très forte pression d’eau dans les calcaires karstiques et des difficultés considérables de soutènement dans les marnes.

Les physiciens ont alors accepté de revoir leur objectif à la baisse, en ramenant le diamètre de l’anneau à 8,5 km (et sa longueur à 26,6 km), ce qui réduisait la couvertu­re maximale à 600 m. ; toutefois les calcaires karstiques restaient lourds de menaces, tant pour le chantier que pour l’exploitation ultérieure d’une installation de haute technologie d’où toute eau devait être bannie, Un ensemble de reconnaissances hydrogéologiques appuyé sur plusieurs forages, dont un de 600 m. a confirmé ces menaces. Les physiciens ont alors proposé de changer le point de tangence avec l’anneau SPS, ce qui diminue de moitié la couverture et la longueur sous le Jura. Troisième et dernière adaptation : le plan de l’anneau, initialement horizontal, a été incliné pour gagner en profondeur sous les sillons et l’aéroport, diminuant du même coup la longueur et surtout la couverture dans les calcaires.

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Photo aérienne du site où le tracé du LHC est ajouté
 

Le LEP pourrait être un exemple, bien rare au demeurant, où les arguments géotechniques ont pu modifier le dessin d’un projet pourtant exceptionnellement rigide. Toutefois la suite a donné rai­son aux “prophètes de malheur” : en dépit des reconnaissances à l’avancement et des précautions prises, plusieurs irruptions d’eau et d’argiles sous 15 bars de pression ont beaucoup retardé l’achèvement du chantier. En particulier une venue de 700 m3/h d’une eau chargée en sable et argile a mis en péril la poursuite des tra­vaux risquant de “noyer” la partie déjà creusée de l’ouvrage ; l’avancement a été stoppé pendant huit mois et il a fallu recourir à des travaux spéciaux (renforcement de la coque en béton, injec­tions de ciment et de résines dans les terrains pour stopper l’arrivée de l’eau). Le LEP a été inauguré le 13 novembre 1989. En cours d’exploitation, outre de faibles débits tolérables en continu, plu­sieurs irruptions d’eau jusqu’à 150l/s et même des “débourrages” d’eau chargée de sables fins, ont perturbé l’exploitation dès la pre­mière année. Une intervention très lourde de chemisage en acier a permis ensuite d’envisager la transformation du LEP en LHC, Large Hadron Collider, au prix d’aimants supraconducteurs refroidis à l’azote liquide et de nouveaux appareils de détection dans des cavernes de plus grande taille encore. Ce nouvel appareil destiné à des collisions frontales est mis en service en 2008.

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Position schématique des anneaux du SPS et du LHC, entre le Jura et la ville de Genève

La course au gigantisme a continué par le super projet américain d’un anneau de 100 km dont le creusement a commencé à la fin du XXème siècle dans des formations de craies et marnes du Texas, mais le projet a été abandonné pour des raisons financières...

De la détection des neutrinos et autres WIMPS au projet américain DUSEL

Le neutrino a été postulé par Pauli en 1936 pour des raisons théo­riques (conservation de l’énergie), et identifié en 1953-56 ; il est dépourvu de charge électrique, sa masse très faible, sa vitesse très proche de celle de la lumière ; en raison de son très faible dia­mètre, toute matière est pour lui transparente. Il est émis par le bang initial, par les étoiles, dont le soleil, l’explosion des super­novae, la bombe atomique, les accélérateurs de particules, les réacteurs nucléaires. Sa détection par des tubes photomultiplica­teurs repose sur l’onde de choc lumineuse émise lors de collision avec un atome d’un liquide transparent (effet Cherenkov). Comme ces événements sont très rares, les physiciens visent un très grand volume d’eau. Quant aux WIMPS (Weak Interaction Massive Particles), plus discrètes encore que les neutrinos, leur existence découle des théories supersymétriques unifiant les quatre interac­tions fondamentales.

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Schéma des installations futures du projet DUSEL à la mine d’or Homestake

Depuis 1968, plusieurs expé­riences ont fait appel à des mines ou tunnels profonds pour échapper au bruit des rayons cosmiques : mines d’or Homestake au Dakota du Sud, de nickel à Sudbury (Ontario) ; la plus profonde à ce jour (2070 m), de potasse en Angleterre, mine de plomb-zinc au Japon, tunnels du Fréjus, du Gran Sasso (le plus vaste des labora­toires européens sous le point culminant de l’Apennin), du Somport. Le record en volume actuel est la caverne japonaise Superkamiokande de 30 000 m3.

Européens et Japonais sont en concurrence avec les États-Unis pour mettre en service une caverne à la fois très profonde (plus d’un kilomètre, voire deux) et de très grand volume (un hecto­mètre cube), un défi remarquable pour la mécanique des roches. Les États-Unis ont mis en route en 2007 un projet ambitieux par sa multi-disciplinarité, le projet DUSEL, Deep Underground Science and Engineering qui réunit les astro-physiciens, les biolo­gistes, les géologues, sismologues et hydrogéologues et même les spécialistes des travaux souterrains.

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La caverne japonaise SuperKamiokande, tapissée de photodétecteurs, record mondial de volume

Le LSBB du plateau d’Albion

En France, la fermeture du centre de tirs des missiles nucléaires du Plateau d’Albion a mis à la disposition des chercheurs le site de Rustrel, devenu LSBB, Laboratoire Souterrain “à Bas Bruit”, (géré en commun par les universités de la région PACA, Paris VII, le CNRS, l’INSU et le CEA). Le cœur du laboratoire est l’ancien poste de conduite de tir, une chambre cylindrique à fonds hémisphé­riques (longueur 28 m, diamètre intérieur 8, volume 1250 m3) revêtue et blindée (2 m de béton et 20 mm d’acier). La “capsule” intérieure (100 m2) est liée à la caverne par des appuis à ressorts et des vérins pour une isolation sismique de très haut niveau à l’abri des ondes de choc d’explosions et bombardements ato­miques, y compris des impulsions électro-magnétiques. Le domaine du Laboratoire comporte en outre une zone de servitudes (base vie, centrale d’énergie et de climatisation, bureaux et ateliers souterrains) desservie par une concier­gerie, et trois km de galeries assurant les accès et transports (par des tracteurs électriques) ainsi qu’une issue de secours. Une antenne sismologique à large bande est ins­tallée en surface, 500 m plus haut, reliée par câbles dans un forage vertical. Malgré sa grande profondeur, l’installation est dans la zone non saturée du karst, encore 200m au-dessus de la nappe qui alimente la Fontaine de Vaucluse.

C’est la meilleure chambre mondiale pour faire des mesures magnétiques de haute précision : le magnétomètre SQUID (magnétomètre supra conducteur à interférométrie quan­tique, basé sur des jonctions Josephson refroidies à l’hélium liquide) permet d’enregistrer en trois dimensions le champ magnétique émis par le cerveau d’une souris, ou par un séisme survenu à des milliers de kilomètres. Enregistrés en permanence, ces signaux précèdent de beaucoup les ondes mécaniques en pro­venance des séismes.

Comme le projet DUSEL, le LSBB regroupe des activités scienti­fiques très variées, de l’hydrologie karstique au test de stabilité des puces de très petite dimension pour le compte de leurs fabricants. La veille sismique et magnétométrique prolonge aujourd’hui celle des officiers chargés du tir, alors que les équipes d’universitaires conçoivent et mettent au point des appareillages toujours plus sensibles, justifiés par l’absence totale de bruits parasites de tous ordres dans cette capsule si bien isolée du monde. Toutefois le couplage de la science et de la technologie ne va pas, pour l’instant jusqu’aux technologies des travaux souterrains. ■

 

 

 

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