David Attié et Sébastien Procureur : Du château d’eau de Saclay à la pyramide de Khéops en Égypte
David Attié et Sébastien Procureur ont reçu conjointement le Prix Ivan Peychès de l’Académie des sciences le 16 octobre 2018 pour leurs recherches en tomographie muonique, en particulier la mise au point de télescopes à muons qui permettent de sonder la matière et de dévoiler les espaces vides d’un objet.
David Attié et Sébastien Procureur, chercheurs au sein de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) au CEA, forment un binôme depuis 2012, date à laquelle ils ont l’idée d’utiliser les muons – des particules élémentaires issues du rayonnement cosmique - pour caractériser les détecteurs et élaborer un banc dit « cosmique »1.
« J’ai toujours voulu faire de la science » confie Sébastien Procureur. « Le déclic date de la maternelle : ma maîtresse dévoilait une nouvelle planète du système solaire chaque semaine ». Après des études d’ingénieur à l’École centrale Paris, dont une année à Cambridge, puis une thèse de physique nucléaire au CEA en 2006, il intègre dans la foulée le Département de physique nucléaire de l’Irfu.
Pour David Attié, l’envie de faire de la recherche se déclenche plus tard, en dépit de son envie de « devenir inventeur » dès l’enfance. Le fait d’habiter en face de l’Observatoire de Paris lorsqu’il est en classe préparatoire l’inspire pour "faire de la science". « J’ai donc étudié la physique, puis soutenu une thèse de doctorat en astrophysique à l’Université Pierre et Marie Curie en 2005 ». Après une année d’enseignement à l’université et une autre au lycée, il enchaîne sur un post-doc au Département de physique des particules au CEA, puis il est recruté en 2008 au Département d’électronique, des détecteurs et d’informatique pour la physique, la partie « technique » de l’Irfu.
A l'Irfu, David Attié et Sébastien Procureur forment un duo très complémentaire. En 2012, Sébastien Procureur met au point un schéma de multiplexage breveté pour un banc cosmique, que les chercheurs développent ensemble. C’est le point de départ de leur collaboration sur la muographie : fin 2013, ils se retrouvent à la tête du projet de tomographie muonique.
Sonder le château d’eau du CEA
Pour valider leur intuition d’utiliser leurs détecteurs pour la muographie, leur équipe donne naissance durant l’été 2015 à un premier télescope à muons. Se pose alors la question de trouver quoi sonder avec ce nouvel instrument. Les chercheurs tournent naturellement leur regard vers ce que qu’ils voient quotidiennement en arrivant au CEA à Saclay : le fameux château d’eau conçu en 1949 par Auguste Perret et aujourd’hui monument classé. La direction donne le feu vert avec enthousiasme et la première image HD d’une muographie, où on reconnaît aisément la structure, est publiée dans une revue scientifique.
« Cette expérience a surtout servi à valider les modalités d’utilisation de ce type de télescope fonctionnel présentant une précision vingt fois supérieure aux autres télescopes, avant de l’emmener potentiellement plus loin », explique Sébastien Procureur. Car la muographie présente l’avantage de recourir à un rayonnement naturel et peut donc être appliquée partout. » La communauté du CEA vient admirer le télescope, qui est ensuite ramené au laboratoire après trois mois et demi d'acquisition de données.
En route pour l’Égypte
Parfois, un projet naît d’un heureux hasard. Sébastien Procureur découvre dans la presse le projet ScanPyramids qui réunit, sous la houlette du ministère des Antiquités égyptiennes, plusieurs équipes internationales de recherche. Sa mission ? Sonder les plus grandes pyramides d'Égypte pour mieux percer le mystère de leur construction. Il contacte alors Mehdi Tayoubi, président de l’Institut HIP (Heritage, Preservation, Innovation), un des coordinateurs de la mission. Dès fin 2015, leur équipe, composée de six personnes, relève le challenge : fabriquer trois télescopes en trois mois. « Nous avons bénéficié du soutien du CEA et nous nous sommes appuyés sur les diverses compétences de notre équipe, soudée vers l’objectif à atteindre », explique David Attié. Nous avons également été aidés par Elvia PCB, un industriel partenaire du CEA, qui a fabriqué huit détecteurs en seulement deux mois », ajoute Sébastien Procureur. Une fois les problèmes logistiques résolus, un premier télescope passe avec succès les tests de procédure, notamment celui de la connectivité afin de récolter les premières données via une clef USB 3G permettant de le piloter à distance. Les trois télescopes à muons sont ensuite placés à l’extérieur de la pyramide : deux en face Est et le dernier en face Nord.
Dévoiler le mystère de la pyramide de Khéops
Les premiers résultats des muographies confirment la présence d’une cavité connue depuis la fin du XIXe siècle mais révèlent surtout l’existence d’une autre cavité placée 30 mètres au-dessus. Une des hypothèses avancée par un architecte français pour expliquer la présence de ces cavités est l’utilisation par les Égyptiens de rampes internes pour le transport des blocs de pierres, des cavités se trouvant alors aux extrémités de ces couloirs.
Confrontés à l’apparition d’un vide au-dessus de la grande galerie de la pyramide dans les données recueillies par les autres expériences japonaises installées sur place, deux télescopes du CEA sont alors redéployés début 2017 sur la face nord pour confirmer la découverte et réaliser une localisation plus précise et sans ambiguité. Cela permet à l’ensemble de la mission ScanPyramids, soit une cinquantaine de personnes, de signer un article paru dans Nature en novembre 2017. La découverte est ensuite largement médiatisée dans le monde entier, au travers de documentaires et d’interviews télévisés.
Ayant ouvert l’immense champ des possibles applications de l’imagerie pénétrante, David Attié et Sébastien Procureur sont aujourd’hui très sollicités par divers projets, mais ils conservent la tête froide : « notre travail demeure la recherche fondamentale, la technologie doit, à un moment donné, voler de ses propres ailes ». L’aventure ScanPyramids continue par ailleurs : les muons n’ont pas fini de nous éclairer sur les mystères de la sépulture du Pharaon Khéops, la plus grande d'Égypte.
1 Un "banc cosmique" se compose d'un hodoscope (assemblage de détecteurs de position pour observer les trajectoires des particules subatomiques, en particulier celles issues des rayons cosmiques), d'un système de déclenchement (généralement des plaques de plastique scintillant en coïncidence qui envoient un signal de scintillation lorsque qu'une particule chargée les traverse, ici le muon) et de l'électronique de lecture.