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Apollo, conquête spatiale et apports scientifiques

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Une demi-vie qui dépasse l'âge de l'univers

Construit 1500 m sous le sol italien, le Laboratoire National de San Grasso (LNSG) accueille le détecteur XENON1T, résultat de la collaboration internationale de plus de 160 chercheurs venus d'Europe, des États-Unis et du Moyen Orient. Le 29 avril 2019, ils annonçaient l'observation de la désintégration du xénon 124.

A la recherche de la matière noire

Construit à partir de 2012, le détecteur XENON1T a commencé ses mesures dès 2016. Aujourd'hui, alors qu'il est démonté pour permettre la construction de son successeur, les chercheurs traitent encore les données qu'il a récoltées. Ce détecteur est assigné à la recherche directe et à l'observation de la matière noire. « Il y cinq à six fois plus de matière noire dans l’Univers que de matière ordinaire. L’estimation de la quantité de la matière noire se fait avec les modèles théoriques comme celui du Big Bang. Tous les modèles supposent la présence de matière noire » explique Dominique Thers, chef d'équipe du groupe XENON du laboratoire Subatech. Pourtant, elle n'a jamais été observée directement. On suppose qu'elle est composée de particules neutres et insensibles aux forces électromagnétiques car elle n'émet pas de lumière. « Les modèles théoriques les plus probables sont ceux qui décrivent la matière noire constituée de particules élémentaires lourdes et lentes, nouvelles et encore inconnues » ajoute le chercheur. « Les chercheurs tentent d’observer la matière noire depuis plus de deux générations déjà, sans succès. Elle interagit très faiblement avec la matière ordinaire, donc il faut construire des expériences de plus en plus grandes et de plus en plus silencieuses et sensibles pour pouvoir l'observer ».

Un détecteur ultra-sensible

Du fait de ces interactions très faibles, le détecteur doit également être le plus isolé possible des bruits. Il est donc enfoui sous terre pour limiter l'impact de la radioactivité et c'est le xénon qui est utilisé, un gaz noble qui est très peu réactif. Cela fait de lui le détecteur le plus sensible au monde.

Selon les modèles théoriques, la matière noire ne devrait que très rarement entrer en contact avec les atomes de xénon du détecteur. Celui-ci, cylindrique, mesure un mètre de long et contient près de 3500 kg de xénon liquide à -95°C. « Le détecteur est conçu comme un oignon : plus on va au coeur du détecteur plus l’appareil est fiable et efficace. Au centre se trouve une tonne de xénon, celle qui détecte la matière noire. Deux tonnes de xénon viennent ensuite blinder le détecteur pour l’isoler des bruits » nous apprend Julien Masbou enseignant chercheur au Laboratoire de Physique Subatomique et des Technologies Associées. Lorsqu'un atome de xénon rencontre une particule de matière noire, celle-ci transfère de l'énergie au noyau de l'atome qui excite à son tour d'autres atomes de xénon. Ce mécanisme produit in fine des courants électriques et aussi l'émission de rayonnement UV. Ces rayonnements sont ensuite détectés par des photodétecteurs placés aux extrémités de la zone active.

Des mesures complexes

XENON1T est aussi capable de mesurer la double capture électronique, permettant de calculer la désintégration du xénon 124. « La double capture électronique n’était pas le but de l’expérience, c’est une découverte due au hasard » commente Julien Masbou. Ce phénomène est très difficile à détecter car il st masqué par la radioactivité ambiante mais aussi parce que « la désintégration du xénon 124 est un processus très faible en amplitude et en intensité, et donc difficilement observable » explique Dominique Thers. Le principe est le suivant : deux protons du noyau de xénon capturent simultanément deux électrons de la couche électronique la plus interne. Ils se transforment en neutrons et deux neutrinos sont émis. Les électrons de la couche prélevée se réarrangent. Le processus émet des rayons X, détectables. C'est grâce à ce mécanisme que les chercheurs ont pu déterminer la demi-vie du xénon qui est de 1,8.10²² ans, soit mille milliard de fois plus grande que celle de notre univers.

La détection de cette double capture électronique confirme la puissance de ce détecteur. La matière noire n'a pas encore été détectée, mais les scientifiques sont optimistes quand à l'observation directe de celle-ci, car le détecteur a fait ses preuves. « Nous n’avons pas observé la matière noire mais la découverte de la double capture électronique montre bien que notre instrument fonctionne » se félicite Julien Masbou. Selon Dominique Thers, « on observe déjà indirectement la matière noire grâce aux courbes de rotation des étoiles dans les galaxies, aux microlentilles gravitationnelles ou aux rayonnements cosmologiques. Il y a beaucoup d’observations à différentes échelles qui justifient la présence de matière noire ». Grâce aux informations fournies par le détecteur XENON1T, les chercheurs pourront également étudier plus en détail la nature des neutrinos.

Ils traqueront les doubles captures électronique sans neutrino pour mieux les étudier. Une autre phase de recherche, XENONnT, verra bientôt le jour après la mise à niveau actuelle de l'équipement. « XENONnT sera plus sensible, avec un total de cinq tonnes de xénon contre trois pour XENON1T, c’est la plus importante expérience utilisant du xénon pour détecter de la matière noire » selon Julien Masbou. Cela devrait permettre de gagner un ordre de grandeur et augmenter les chances de détecter de la matière noire, cette « quête de l’extrême » conclut Dominique Thers.

 

En savoir plus :

L'article original :https://www.nature.com/articles/s41586-019-1124-4

Le site de SubaTech : http://www-subatech.in2p3.fr/fr/recherche/nucleaire-et-sante/xenon/recherche/fondamentales/xenon1t

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Imprimer de la peau artificielle
L'impression 3D de tissus humains grâce au laser se développe, avec à la clé des greffes de peau et une alternative à l'exploitation animale dans les essais en cosmétiques.

Réaliser des bio-impressions de peau

La peau est une structure complexe, organisée en trois couches de tissus (épiderme, derme, hypoderme). Il s'agit du plus grand organe du corps humain, puisqu'elle représente environ 16% de son poids total. Sa fonction principale est de former une barrière de protection envers le milieu extérieur, qu'il s'agisse des agressions thermiques et mécaniques ou des contaminants qui y sont présents.

L'impression 3D, qui permet la création d'un objet tridimensionnel par l'empilement de couches, a ouvert de très nombreux champs d'expérimentation. Jean-Christophe Fricain, directeur de l'unité Bioingénierie Tissulaire de l'INSERM à Bordeaux, souligne la différence avec la bio-impression, où « il s'agit de la fabrication additive de matériel non plus inerte mais biologique. Il existe plusieurs technologies de bio-impression. On peut utiliser des seringues qui se déplacent grâce à un bras piloté par ordinateur, pour pousser un hydrogel contenant du matériel biologique. On peut mettre au point un système par jet d'encre, qui émet des gouttelettes comme les imprimantes classiques mais dépose là aussi un hydrogel relativement fluide. On peut encore utiliser l'énergie laser pour faire des transferts de goutte comme le fait l'entreprise Poietis, c'est-à-dire des transferts de matière vivante : on combine alors différents composants biologiques, comme les cellules ou la matrice extra-cellulaire, pour organiser des structures qui ressemblent au tissu vivant. »

Une collaboration entre une entreprise de Pessac et l'INSERM a en effet mené à la mise en point une machine capable de produire de la matière vivante grâce à de la lumière laser. Trois semaines sont nécessaires pour reproduire de la peau. L'imprimante dépose, couche par couche, des micro-gouttes contenant des cellules selon un modèle numérique inspirés de tissus existants. Grâce à sa très haute définition, de l'ordre de vingt microns soit la taille maximale d'une cellule, le laser peut reproduire la complexité des tissus avec une grande précision et assurer leur auto-organisation. De plus, il assure la viabilité des cellules à hauteur de plus de 95%.

Des applications en clinique, en pharmacologie et en cosmétique

« À l'échelle micrométrique, l'impression biologique permet d'étudier le comportement de certaines organisation cellulaires, pour une recherche plutôt fondamentale. À l'échelle millimétrique, représenter la partie fonctionnelle d'un organe donne des applications dans le domaine de la toxicologie et de l'étude des médicaments, puisqu'on peut imaginer par exemple la réalisation de micro-modèle tumoraux sur lesquels tester des chimiothérapies avant de l'appliquer aux individus. À l'échelle centimétrique, l'enjeu est plutôt de reproduire des organes. »

À cette échelle des organes et des tissus, les enjeux de la bio-impression dans le domaine médical sont souvent médiatisés, avec l'idée par exemple de créer des greffons de peau à partir des cellules souches d'un·e patient·e. De telles techniques offrent l'avantage d'éviter tout risque de rejet. « La peau est un tissu relativement simple, pas vascularisé et assez superficiel, dont l'étude a d'importants débouchés notamment cosmétique. Cela explique que les techniques de bio-impression aboutissent plus rapidement dans ce cas, alors que les applications sur des tissus complexes comme les travaux de l'entreprise Organovo sur le foie se font à des échelles de temps plus lointaines. »

En cosmétique, les recherches de méthodes alternative à l'exploitation animale se sont accélérées depuis l’annonce en 1993 de l’interdiction progressive des essais sur les animaux pour les cosmétiques vendus en Europe, un processus achevé en 2013 et qui donnent l'exemple à d'autres pays. Plus de 200 méthodes alternatives à la recherche animale ont déjà été développées et validées par l’OCDE, parmi lesquelles le microdosage, les techniques d’imagerie non invasives, les simulations sur ordinateur et les tests in vitro.

En se servant d’une structure semblable à l’épiderme humain afin de mesurer l’irritation de la peau provoquée par les produits chimiques présents dans les cosmétiques, le développement de la peau artificielle constitue une alternative prometteuse aux expériences sur les animaux. Les recherches aboutissent à des peaux de plus en plus proches de la réalité, même s'il n’existe pas encore de modèle de peau complète et fonctionnelle à cause de la complexité de cet organe.

En savoir plus

Reconstruire la peau, au plus près du réel, Le Monde – Sciences

Cosmétiques : vers la fin des tests sur les animaux ?, Le magazine du monde

Impression 3D Laser du vivant : une approche innovante à Bordeaux, dossier de l'INSERM

Le site de Poietis, une entreprise de Pessac qui conçoit et développe des tissus biologiques humains pour des applications de recherche et en médecine régénératrice

Arthur Jeannot
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