Labo­ra­toires, ateliers et groupes de recherche en physique

La recherche est floris­sante au dépar­te­ment de physique. Profes­seur.es, agent.es de recherche, tech­ni­cien.nes et étudiant.es viennent à tous les jours travailler dans les labo­ra­toires, dont certains revêtent une impor­tance histo­rique pour la science au Canada. La plupart des champs de la physique moderne sont étudiés dans les ailes du pavillon Roger-Gaudry. La grande diver­sité des champs d’ex­pé­rience des profes­seur.es explique les grandes diffé­rences entre les labo­ra­toires, que ce soit dans l’équi­pe­ment, les mesures de sécu­rité ou les exigences maté­rielles.

Des instru­ments dans un labo­ra­toire de recherche sur les plas­mas. Source : Projet Rétro­vi­seur

Ces labo­ra­toires ont cepen­dant quelque chose en commun : de nombreux jeunes cher­cheurs et cher­cheuses y apprennent leur métier tout en faisant avan­cer la science. C’est le cas de Félix Goudreault, étudiant aux cycles supé­rieurs en physique. Bien que son travail soit plus théo­rique, il vient tout de même travailler sur place, dans un bureau, afin d’être à proxi­mité de son direc­teur de recherche. Il peut ainsi envoyer des calculs aux super­or­di­na­teurs dont plusieurs labo­ra­toires sont équi­pés. La plupart des étudiant.es travaillent dans les locaux de l’uni­ver­sité, puisque le finan­ce­ment de leurs recherches leur demande d’être présents sur les lieux.

Les étudiant.es aux cycles supé­rieurs, dépen­dam­ment de leur spécia­li­sa­tion, peuvent aussi être amenés à assis­ter à des confé­rences hebdo­ma­daires, ainsi qu’à certains cours. Si leur impli­ca­tion dans leur milieu de vie est impor­tante, des nombreuses rencontres et réunions s’ajoutent aussi à leur agenda.

Les étudiants se fami­lia­risent avec les tâches de labo­ra­toire lors des labo­ra­toires d’en­sei­gne­ment. Source : Projet Rétro­vi­seur

Les cher­cheur.ses sont épau­lés dans leurs tâches par les tech­ni­cien.nes de labo­ra­toire. Véro­nique Desjar­dins et Camil Joanette, tech­ni­cien.nes en élec­tro­tech­nique, assurent le support de ceux qui travaillent à la recherche, en plus de prépa­rer les labo­ra­toires d’en­sei­gne­ment de première année. Ils adaptent le maté­riel aux besoins des cher­cheur.ses, et réparent les nombreux bris surve­nant dans les labo­ra­toires. Ils tentent égale­ment de trou­ver des solu­tions aux nombreux problèmes de refroi­dis­se­ment d’ap­pa­reils et de puis­sance élec­trique dus à l’âge véné­rable du pavillon Roger-Gaudry. Si certains labo­ra­toires ont leurs propres tech­ni­cien.nes enga­gés grâce à des fonds de recherche, Véro­nique Desjar­dins et Camil Joan­nette sont inves­tis d’une véri­table mission de service au dépar­te­ment.

Les labo­ra­toires sont remplis d’ap­pa­reils et d’équi­pe­ments souvent coûteux, dont la gestion et la répa­ra­tion occupent une part impor­tante de la vie quoti­dienne d’un labo­ra­toire. Même lorsqu’il est temps de se débar­ras­ser défi­ni­ti­ve­ment d’ins­tru­ments, on tente d’en récu­pé­rer les pièces, qui pour­raient se révé­ler utiles lors de la répa­ra­tion des appa­reils encore fonc­tion­nels. Cela permet de sauver temps et argent, car une répa­ra­tion réus­sie remplace alors une nouvelle commande aux four­nis­seurs. Ces pièces de rechange ont toute­fois besoin d’es­pace afin d’être entre­po­sées.

La lumière cligno­tante indique que des lasers sont en fonc­tion dans le labo­ra­toire. Source : Projet Rétro­vi­seur

Au pavillon Roger-Gaudry, les labo­ra­toires sont dotés de lumières cligno­tantes lorsqu’une expé­rience est en cours. Cela ne prévient pas forcé­ment d’un danger, à part celui de faire rater une expé­rience en cours depuis plusieurs jours. Ouvrir une porte et faire péné­trer de la lumière inop­por­tune dans un labo­ra­toire menant des expé­riences sur des lasers, par exemple, pour­rait gâcher une collecte de données de longue haleine. Autre­ment, on ne retrouve pas de réel danger dans les labo­ra­toires de physique de l’Uni­ver­sité de Montréal. Il n’y a pas de stockage de maté­riaux radio­ac­tifs, car les labo­ra­toires de physique nucléaires utilisent main­te­nant des accé­lé­ra­teurs afin de modi­fier la matière.

On ne retrouve pas de matière fissile ou radio­ac­tive en ce moment au dépar­te­ment, ni de réac­teur. Il faut toute­fois obser­ver une zone restreinte autour des accé­lé­ra­teurs qui génèrent de hautes éner­gies. De la même façon, les lasers ne doivent pas arri­ver dans les yeux de quelqu’un qui tombe­rait dessus par curio­sité. L’ac­cès au labo­ra­toire René-J.-A.-Lévesque, qui contient un accé­lé­ra­teur, est aussi restreint, pour des raisons plus histo­riques que réelles, selon le profes­seur et direc­teur du dépar­te­ment Richard Leonelli.

L’in­té­rieur de la salle blanche depuis le sas permet­tant d’y accé­der. Source : Projet Rétro­vi­seur

La salle blanche préserve égale­ment des condi­tions parti­cu­lières. Cons­truite il y a une quin­zaine d’an­nées, il s’agit d’une salle abri­tant un envi­ron­ne­ment zéro pous­sière. On y accède par un sas. Elle est parti­cu­liè­re­ment utile lors des expé­riences menées en optique. Depuis 2001, cette salle sert de lieu de fabri­ca­tion des équi­pe­ments optiques les plus perfec­tion­nés. On y mani­pule les pièces qui seront instal­lées sur le nouveau téles­cope spatial James-Webb, qui sera lancé dans l’es­pace en 2021.  On y conçoit aussi les pièces du spec­tro­graphe SPIROU, qui sera installé à l’Ob­ser­va­toire Canada-France-Hawaï afin d’ob­ser­ver les exopla­nètes. Il est donc crucial qu’au­cune pous­sière ne pénètre dans la salle blanche. Comme l’ex­plique le cher­cheur Loïc Albert, tous les efforts et les ressources mobi­li­sés par un téles­cope afin de capter la lumière des objets célestes seraient déployés en vain si cette lumière est, au bout du compte, diffu­sée sur la pous­sière sur l’ins­tru­ment. Loïc Albert travaille au labo­ra­toire d’ins­tru­men­ta­tion infra­rouge, fondé dans les années 1990. Cette tech­no­lo­gie permet de voir des objets très froids, tels que les exopla­nètes, les naines brunes, ou encore des galaxies très loin­taines.

Montréal a été un des pion­niers de l’as­tro­no­mie infra­rouge au monde, nous sommes toujours des leaders au Canada.

Loïc Albert, cher­cheur

Ce labo­ra­toire a notam­ment permis de déve­lop­per la caméra MONICA, la première caméra infra­rouge au Canada. Elle a été utili­sée lors d’ob­ser­va­tions au téles­cope Canada-France-Hawaï. Alors qu’au départ, elle ne comp­tait qu’un pixel, les amélio­ra­tions appor­tées par les cher­cheur.ses ont augmenté ses capa­ci­tés jusqu’à 1024 pixels par 1024 pixels.

Si les instru­ments déve­lop­pés au pavillon Roger-Gaudry sont utili­sés par-delà les océans et même jusque dans l’es­pace, ils ont aussi une inci­dence plus locale. En effet, l’Uni­ver­sité de Montréal, en parte­na­riat avec l’Uni­ver­sité Laval, gère l’Ob­ser­va­toire du Mont-Mégan­tic, non loin de Sher­brooke. Il ne s’agit pas que d’un téles­cope d’ob­ser­va­tion : l’ob­ser­va­toire est doté de camé­ras infra­rouges et de spec­tro­graphes. Si une grande partie des acti­vi­tés de l’ob­ser­va­toire peut être contrô­lée à distance, il joue un rôle crucial dans la forma­tion des étudiant.es. Ils y apprennent à mani­pu­ler les appa­reils et à tester les équi­pe­ments fabriqués dans les labo­ra­toires. Ainsi, ils seront prépa­rés lorsqu’ils iront dans les téles­copes de pointe à l’étran­ger. C’est de ces téles­copes de pointe que proviennent les données massives analy­sées par les astro­phy­si­ciens : la taille de l’ob­ser­va­toire du Mont-Mégan­tic est très modeste. Les données étudiées par les cher­cheur.ses de l’Uni­ver­sité sont obte­nues par des proces­sus auto­ma­ti­sés grâce à des tech­ni­cien.nes et des ingé­nieur.es à des milliers de kilo­mètres.

À seule­ment trois heures de route de Montréal, l’Ob­ser­va­toire de Mont-Mégan­tic permet toute­fois aux étudiant.es de faire des obser­va­tions sur place : il y a toujours un astro­nome, qu’il ou elle soit profes­sion­nel ou étudiant. Il y a égale­ment des appa­reils à rame­ner à l’ini­ver­sité pour les répa­rer : il faut ensuite retour­ner véri­fier leur fonc­tion­ne­ment dans des condi­tions réelles. Ce va-et-vient de maté­riel explique la présence au pavillon Roger-Gaudry de nombreux appa­reils que Loïc Albert n’hé­site pas à quali­fier de « reliques » des premiers temps de Mégan­tic, rempla­cées par de nouvelles géné­ra­tions d’ap­pa­reils. Dans les labo­ra­toires se trouvent des boîtes de pièces restantes de chaque projet ainsi que la docu­men­ta­tion des instru­ments.

Le « clus­ter » d’or­di­na­teurs. Source : Projet Rétro­vi­seur.

Le labo­ra­toire dans lequel travaille Loïc Albert est aussi équipé d’un « clus­ter » d’or­di­na­teurs, situé dans un local doté d’un impor­tant système de venti­la­tion. Comme ces ordi­na­teurs fonc­tionnent constam­ment, ils dégagent beau­coup de chaleur et certaines de leurs pièces pour­raient même fondre si la tempé­ra­ture n’était pas contrô­lée. L’as­sem­blage de tours d’or­di­na­teurs n’oc­cupe qu’une partie de l’es­pace, qui était aupa­ra­vant rempli par des instal­la­tions beau­coup plus volu­mi­neuses. Ces ordi­na­teurs sont utili­sés afin de faire des simu­la­tions des naines blanches et du soleil. Les calculs permettent d’ap­pliquer des équa­tions de physique à des obser­va­tions réelles. En compa­rant les obser­va­tions au téles­cope avec des modèles élabo­rés par les cher­cheurs et cher­cheuses, il est possible de voir si ceux-ci fonc­tionnent ou s’ils ont besoin d’être affi­nés et recal­cu­lés. Contrai­re­ment à d’autres « clus­ters » d’or­di­na­teurs, ceux-ci seront trans­por­tés au Complexe des sciences. Pour ceux qui reste­ront sur place, une connexion haute-vitesse entre les pavillons permet­tra aux labo­ra­toires d’y envoyer leurs calculs.

Andrea Bian­chi, profes­seur au dépar­te­ment de physique, dirige le labo­ra­toire de chimie de l’état solide. Il crée de nouveaux maté­riaux et les carac­té­rise, notam­ment grâce à la chaleur spéci­fique et au trans­port élec­trique. Ce faisant, il tente de décou­vrir, grâce à ces nouveaux maté­riaux, de nouveaux états quan­tiques.

Son labo­ra­toire est équipé de maté­riel à la puis­sance impres­sion­nante. On y compte plusieurs fours, dans lesquels on peut créer une atmo­sphère inerte grâce à des pompes à vide. Si la tempé­ra­ture de ces fours atteint en géné­ral 1700 °C, le four ARF, géné­ra­teur de fréquence radio, peut aller jusqu’à 2000 °C. On retrouve dans ce four la même tech­no­lo­gie que dans les cuisi­nières à induc­tion, mais bien plus puis­sante. Le labo­ra­toire est aussi doté de machines à rayons X et de magné­to­mètres, qui permettent de carac­té­ri­ser les nouveaux maté­riaux créés par l’équipe du profes­seur Bian­chi. Comme son nom l’in­dique, le magné­to­mètre mesure l’ai­man­ta­tion d’un maté­riau. Heureu­se­ment, la plupart de ces instru­ments peuvent être montés sur roulettes, ce qui faci­li­tera le démé­na­ge­ment vers le Complexe des sciences.

Le profes­seur Bian­chi explique le fonc­tion­ne­ment de son four optique. Source : Projet Rétro­vi­seur

Le labo­ra­toire de chimie de l’état solide est aussi équipé d’un four optique japo­nais. Ce four foca­lise toute la lumière sur un point très précis d’une tige poly­cris­tal­line afin d’ob­te­nir un mono­cris­tal. En faisant fondre à une tempé­ra­ture très précise le poly­cris­tal, on obtient un liquide qui ne tient qu’a­vec la tension de surface, et qui ne touche donc à aucun creu­set, ce qui permet d’ob­te­nir le mono­cris­tal. Tout cela est possible grâce aux atmo­sphères contrô­lées sous hotte, ce qui permet de travailler des substances sensibles à l’oxy­gène ou à l’hu­mi­dité.

Cinq cher­cheur.ses travaillent dans le labo­ra­toire. Le profes­seur Bian­chi conti­nue d’y faire des échan­tillons hebdo­ma­daires lui-même afin de garder la main. Il souligne la bonne forma­tion en labo­ra­toire que reçoivent les étudiants et les étudiantes du dépar­te­ment, qui leur permettent de mettre en pers­pec­tive leurs appren­tis­sages lorsqu’ils font des stages à l’in­ter­na­tio­nal.

Jean-François Arguin dirige le groupe de recherche en physique des parti­cules, qui inclut plusieurs étudiant.es gradués, cher­cheur.ses post­doc­to­raux et ingé­nieur.es. Il se décrit comme un physi­cien expé­ri­men­ta­teur, mais aussi obser­va­tion­nel. Le rôle de son groupe de recherche est d’étu­dier les données du Grand Colli­sion­neur de Hadrons (LHC). Beau­coup de ses étudiant.es travaillent à l’ana­lyse de données sur ordi­na­teur : cela ne néces­site pas de grands labo­ra­toires, mais le groupe de recherche s’est joint à un nouveau projet. Les cher­cheurs et les cher­cheuses en physique des parti­cules travaille­ront à élabo­rer les détec­teurs qui seront instal­lés dans le futur au Grand Colli­sion­neur de Hadrons, une expé­rience qui s’étend jusqu’en 2040. Afin des les aider dans leurs nouvelles tâches, leurs collègues en détec­tion de matière sombre leur ont prêté une chambre propre pour travailler sur ces détec­teurs. Au Campus MIL, ils auront leur propre labo­ra­toire Atlas afin de travailler sur ces détec­teurs.

Un labo­ra­toire consa­cré à l’étude des plas­mas. Source : Projet Rétro­vi­seur

Profes­seure au dépar­te­ment, Joëlle Margot se spécia­lise en physique des plas­mas. Dans son labo­ra­toire, elle étudie donc des gaz ioni­sés. Il s’agit de gaz auxquels on apporte suffi­sam­ment d’éner­gie pour arra­cher des élec­trons aux atomes qui le composent. On se retrouve donc avec un milieu dans lequel on retrouve des élec­trons libres et des ions, aux carac­té­ris­tiques très parti­cu­lières. Joëlle Margot explique que la plupart des objets astro­no­miques sont des plas­mas, et mieux connaître leurs proprié­tés permet des les opti­mi­ser afin de créer diverses appli­ca­tions. Son labo­ra­toire est situé dans le « bunker » de Roger-Gaudry. Au moment où le bâti­ment a été construit, des bureaux dotés de fenêtres avaient été prévus au-dessus du bunker, sans jamais être construits. La profes­seure a donc hâte de décou­vrir les locaux vitrés du Complexe des sciences.

Au dépar­te­ment de physique, les groupes de recherche œuvrent dans diffé­rents domaines, qui repré­sentent la plupart des spécia­li­tés de la physique. Le dépar­te­ment entre­tient des colla­bo­ra­tions avec des obser­va­toires ainsi qu’a­vec le CERN (Orga­ni­sa­tion euro­péenne pour la recherche nucléaire), à Genève. Les cher­cheur.ses étudient la physique des plas­mas, des maté­riaux, la biophy­sique et l’as­tro­phy­sique, entre autres. Richard Leonelli, direc­teur du dépar­te­ment, étudie quant à lui la physique de la matière conden­sée. Ses labo­ra­toires ont été équi­pés grâce à des subven­tions de la fonda­tion cana­dienne de l’in­no­va­tion, ce qui l’oblige à parta­ger les instru­ments. Très perfec­tion­nés et sophis­tiqués, ces derniers néces­sitent une forma­tion pour pouvoir les utili­ser. Toute­fois, quiconque ayant une forma­tion adéquate et un sujet de recherche peut dispo­ser de temps pour les utili­ser.

Les colla­bo­ra­tions entre profes­seur.es au dépar­te­ment de physique se maté­ria­lisent par des cosu­per­vi­sions d’étu­diant.es aux cycles supé­rieurs. Le profes­seur Leonelli donne l’exemple d’un étudiant qu’il codi­rige avec Andrea Bian­chi. Si lui-même étudie les maté­riaux, il ne les fabrique pas, alors que M. Bian­chi les crée, mais n’a pas les équi­pe­ments pour étudier leurs carac­té­ris­tiques. Ils colla­borent donc afin d’étu­dier les maté­riaux à la fois théo­rique­ment et expé­ri­men­ta­le­ment.

Le pavillon Roger-Gaudry est construit à même le roc de la montagne. Source : Projet Rétro­vi­seur

Le pavillon Roger-Gaudry, malgré ses défauts, est construit direc­te­ment sur le roc et béné­fi­cie de plan­chers très épais. Le niveau de vibra­tion du sol à cet endroit est tolé­rable pour les instru­ments très sensibles, tels les micro­scopes à force atomique et les systèmes sophis­tiqués de physique des plas­mas. Depuis des dizaines d’an­nées, les tech­ni­cien.nes de labo­ra­toire ont égale­ment adapté les conduits d’eau à chaque labo­ra­toire et à chaque appa­reil, un travail qui sera entiè­re­ment à repen­ser dans le nouveau pavillon.

Le dépar­te­ment de physique de l’Uni­ver­sité de Montréal accueille aussi le centre insti­tu­tion­nel du regrou­pe­ment québé­cois sur les maté­riaux de pointe, coor­donné par Jacque­line Sanchez. Ce regrou­pe­ment réunit plus de 70 cher­cheur.ses entre l’Uni­ver­sité de Montréal, l’Uni­ver­sité McGill, l’Uni­ver­sité de Sher­brooke et Poly­tech­nique, qui se distinguent dans les disci­plines de la chimie, de la physique et du génie. Le travail de Jacque­line Sanchez est d’orien­ter les étudiant.es vers les membres et les cher­cheur.ses qui se rapprochent de leurs inté­rêts de recherche. Elle affiche aussi les postes à combler dans les labo­ra­toires. En plus de gérer la logis­tique du RQMP, Jacque­line Sanchez est aussi agente de recherche au dépar­te­ment de chimie : elle est donc en contact avec diffé­rentes réali­tés de recherche.

La diver­sité des domaines de recherche se reflète dans les collec­tions de Benja­min Cons­tan­ti­neau, biblio­thé­caire à la biblio­thèque de physique. Selon lui, tout est emprunté, et tout le monde profite des ressources, mais dans des propor­tions diffé­rentes. Par exemple, les cher­cheur.ses en physique des plas­mas ont besoin de beau­coup de livres, alors qu’en géné­ral ce sont les revues scien­ti­fiques qui sont les plus consul­tées. Cepen­dant, les docu­ments rela­tifs à la physique des plas­mas sont emprun­tés en moins grand volume que ceux se rappor­tant à l’as­tro­phy­sique. Benja­min Cons­tan­ti­neau explique cela par le nombre de profes­seur.es par disci­pline. Si les quelques profes­seur.es étudiant la physique des plas­mas dirigent plusieurs étudiant.es, l’« armée » d’étu­diant.es en astro­phy­sique, diri­gés par la douzaine de profes­seur.es spécia­listes de cette matière, repré­sentent une propor­tion impor­tante des emprunts de sa biblio­thèque.