L’impact des activités canadiennes de recherche et de développement en physique subatomique va au-delà des efforts scientifiques individuels, avec de nombreuses contributions de grande portée pour la société canadienne. Les progrès de la physique subatomique inspirent et enrichissent notre culture, tout en repoussant les limites de la technologie. En effet, la physique subatomique améliore notre compréhension fondamentale du monde physique tout en favorisant l’innovation par le développement de technologies habilitantes comme les accélérateurs de particules, l’électronique de pointe et les techniques de communication et d’analyse des données, et en formant des personnes techniquement qualifiées qui aident le Canada à rester compétitif dans l’économie du savoir. La physique subatomique relie également les gens par-delà les cultures et les frontières nationales et sociétales. En effet, ses acteurs posent des questions fondamentales, auxquelles ils tentent de répondre, tout en favorisant le développement d’une économie innovante fondée sur la connaissance. Les progrès de la physique subatomique conduisent aussi à de nouvelles possibilités commerciales qui exploitent les technologies ou les découvertes de la physique subatomique.

Il est possible de visualiser les différents niveaux d’impact de la recherche en physique subatomique à l’aide d’un modèle en oignon, avec la communauté de physique subatomique au centre et les couches représentant la pertinence pour des secteurs de plus en plus larges de la société :

• Domaines scientifiques qui collaborent
• Formation pour l’économie de la connaissance
• Applications technologiques
• Occasions commerciales
• Impact environnemental
• Retombées culturelles

La première de ces couches d’impact, relative à la science transfrontalière, a été abordée dans la section 1. Dans cette section, nous examinons les domaines plus larges de l’impact et du rendement du capital investi de la recherche en physique subatomique pour le Canada.

La formation en physique subatomique pour l’économie de la connaissance

Un aspect important du programme de physique subatomique est la formation de personnel hautement qualifié (PHQ). Le champ d’application de la formation de PHQ dans le domaine est riche et diversifié, couvrant toute la gamme des constructions théoriques, de l’acquisition et de l’analyse des données, à la conception et à la fabrication du matériel, en passant par les essais et le perfectionnement, les rapports et la promotion, ainsi que la gestion de projets. La formation de PHQ en physique subatomique est réalisée par un apprentissage hiérarchique qui implique à la fois des étudiants de premier et deuxième cycles et des boursiers postdoctoraux dans le cadre d’une université ou d’un institut. Les étudiants participent à des activités collectives et indépendantes basées sur les thèmes communs d’un groupe de recherche particulier. Ce processus d’apprentissage est complété par la participation à des conférences, à des ateliers ou à d’autres possibilités de formation. Par exemple, des programmes tels que l’institut d’été TRIUMF ou l’école d’été du Tri-institut canadien sur la physique des particules élémentaires offrent aux étudiants des occasions uniques d’apprendre et de créer des réseaux.

La recherche en physique subatomique présente de nombreuses caractéristiques uniques et distinctives, avec des possibilités exceptionnelles de formation et de préparation à des domaines spécifiques de l’économie de la connaissance :

• La portée, la taille et la nature internationale des réseaux de collaboration par lesquels la recherche est effectuée.
• Le partage efficace des ressources et des financements de la recherche mondiale.
• L’étendue des compétences et de l’expertise techniques et non techniques qui ont été acquises (par exemple, de la théorie à l’analyse de données complexes, en passant par l’instrumentation, le développement de logiciels et l’intégration de systèmes).

Les étudiants diplômés en physique subatomique s’orientent en effet vers un vaste éventail de carrières techniques, comme le montre la figure 10.

Applications technologiques et occasions commerciales

De l’utilisation économique générale de la technologie des accélérateurs à la naissance de l’internet, la physique subatomique a eu un impact technologique sur la société à bien des façons. Les impacts directs comprennent les applications dérivées de la technologie développée pour la recherche en physique subatomique. On retrouve des exemples récents dans des domaines allant de l’imagerie médicale à la sécurité et aux réseaux sans fil. Il existe des preuves moins directes, mais plus omniprésentes, de cet impact dans le diagnostic et le traitement des maladies par la production d’isotopes, les radiothérapies et les diagnostics, l’énergie nucléaire, la gestion des déchets nucléaires, la science des matériaux et le développement de détecteurs applicables à la dosimétrie dans les applications médicales et spatiales. L’infrastructure de physique médicale soutenue par la physique nucléaire est également un ingrédient clé dans le développement de produits radiopharmaceutiques. Ces progrès sont stimulés par le haut niveau d’innovation technologique requis pour réussir dans la recherche en physique subatomique. La communauté doit souvent mettre au point ses propres instruments pour progresser dans la résolution des problèmes scientifiques, qui trouvent ensuite des applications plus larges.

Au cours des cinq dernières années, les chercheurs canadiens ont fait progresser des techniques qui peuvent sauver des vies tout en alimentant l’économie de demain. En réponse à la pandémie mondiale, la Collaboration « Milano Ventilatore Meccanico » (MVM), un projet international de laboratoires nationaux de physique nucléaire et de physique des particules d’Italie, du Canada, des États-Unis et d’autres pays, a mis à profit son expertise collective dans la conception de systèmes de traitement des gaz et de contrôle électronique menant à un ventilateur économique pour la ventilation obligatoire et assistée. La simplicité de la conception, rendue possible par le système de contrôle sophistiqué du MVM, permet d’utiliser des pièces facilement disponibles et de le fabriquer rapidement. Guidée par des experts médicaux et en coopération avec les partenaires industriels Vexos et JMP Solutions au Canada, la Collaboration MVM a réussi, dans des délais remarquablement courts, à concevoir, à développer, à construire et à certifier un ventilateur sûr en réponse à la crise mondiale de la COVID. Au Canada, ces efforts ont été menés par le lauréat du Nobel Art McDonald, avec la participation de membres de l’équipe de TRIUMF, de CNL Chalk River, du SNOLAB et de l’Institut McDonald. Le développement du MVM est un excellent exemple de la manière dont l’expertise des physiciens subatomiques qui tentent de percer les mystères de l’univers peut être utilisée de manière efficace au profit de la société pour relever ses autres grands défis.

La communauté de la physique subatomique a une histoire de collaboration mutuellement bénéfique avec un certain nombre de secteurs industriels. Comme le montre l’exemple de MVM ci-dessus, les laboratoires et les collaborations de physique subatomique connectés au niveau mondial constituent une ressource précieuse, avec l’expertise et la capacité de changer de cap et de répondre rapidement aux nouvelles priorités, de la genèse à la commercialisation. Plusieurs autres collaborations inédites mettent au point des technologies au bénéfice de la société, notamment dans le domaine médical. Quelques exemples sont énumérés ci-dessous :

• Des chercheurs de TRIUMF et de SFU étudient l’utilisation du thorium comme matériau cible pour la production d’isotopes médicaux.
• Des chercheurs de TRIUMF et de l’Université de Guelph collaborent pour améliorer la vérification de la portée de la thérapie du cancer par protons/hadrons grâce à des techniques de spectroscopie des rayons gamma.
• Des chercheurs de l’Université McGill et de l’Université de Sherbrooke collaborent pour étudier la possibilité d’utiliser les propriétés d’émission de lumière dans le Xe liquide mises au point pour la recherche d’événements rares (nEXO) pour l’imagerie médicale en TEP.

Au-delà de la recherche sur la santé, des investigations dans le secteur de l’environnement sont également menées. En voici quelques exemples :

• Les chercheurs de TRIUMF et de l’Université de Calgary étudient l’écoulement / le suivi de l’eau et de l’atmosphère par le biais du traçage des isotopes radioactifs.
• Les membres de la collaboration MOLLER travaillent avec des chercheurs en biosciences pour étudier le comportement de croissance des champignons et d’autres plantes dans des conditions environnementales extrêmes en misant sur la personnalisation de la conception électronique MOLLER pour produire un petit système DAQ déployé dans une zone éloignée afin de surveiller les données environnementales.
• Le SNOLAB et l’Université Laurentienne participent à des efforts de R et D dirigés par la CCSN pour améliorer les technologies de vérification des traités de non-prolifération nucléaire. Les compteurs proportionnels sphériques mis au point par NEWS-G pourraient ouvrir la voie à une technologie compacte et non intrusive pour surveiller les réacteurs nucléaires et les garanties nucléaires internationales.

Si la R et D de pointe est le moteur de la physique subatomique, les possibilités d’avantages sociétaux ou commerciaux doivent être incubées pour élargir leur impact. Les possibilités de commercialisation sont souvent évidentes, grâce au développement de nouvelles technologies et applications, mais il existe également un certain nombre de défis. Les délais de la recherche peuvent être sensiblement plus longs que ceux qui sont tolérables pour un rendement du capital investi dans l’industrie. Le personnel universitaire et de recherche dispose de peu de temps pour établir des contacts et entretenir des relations avec l’industrie. Les performances exigées pour la recherche de pointe en physique subatomique peuvent également aller au-delà de ce qui est commercialement viable. Cependant, dans certains cas, ces exigences strictes repoussent les limites de la fabrication et conduisent à des processus nouveaux et plus efficaces; la mise à niveau actuelle du trajectographe au silicium ATLAS en est un exemple. La poursuite des travaux visant à relever ces défis d’incubation permettra d’accroître les possibilités d’élargir l’impact de la physique subatomique. Un tel soutien à l’incubation peut être fourni par les bureaux de transfert de technologie des universités, et dans les centres de transfert technique comme TRIUMF Innovations, la branche de commercialisation de TRIUMF. Par exemple, par le biais de TRIUMF Innovations, IDEON propose des détecteurs de muons pour un meilleur diagnostic des gisements miniers. Le transfert de technologie permet d’améliorer l’incubation non seulement en reliant la science et la technologie de pointe à des occasions commerciales tangibles, mais aussi en entretenant les relations et les partenariats industriels nécessaires à la réussite.

Impact environnemental

En envisageant les futures applications technologiques, il est aussi important de reconnaître que la nature globale de la recherche en physique subatomique, un domaine qui repose essentiellement sur la coopération internationale et la transparence, a une incidence environnementale non négligeable. Si les voyages en avion pour la collaboration et le travail expérimental dans des laboratoires hors site restent importants pour le domaine, la pandémie de COVID-19 a mis en évidence la pleine valeur des outils de collaboration et de communication en ligne. On peut donc s’attendre à une plus grande souplesse dans les modes de collaboration à l’avenir. Les installations de recherche exploitées dans le domaine de la physique subatomique sont également d’importants consommateurs d’énergie, par exemple pour faire fonctionner les aimants, les amplificateurs RF et les installations cryogéniques, et cela s’applique aussi largement à la communauté des chercheurs par leur utilisation importante des ressources informatiques. Toutefois, cet impact est atténué par la collaboration mondiale, qui permet de développer et d’exploiter un nombre réduit d’installations internationales à grande échelle dans le monde. En outre, la communauté des accélérateurs, par exemple, continue à rechercher des technologies et des systèmes d’alimentation en énergie plus efficaces afin de réduire leur empreinte globale et d’explorer de meilleurs systèmes de récupération de l’énergie.

Il est en outre important de souligner les possibilités que la recherche en physique subatomique, et les installations de recherche à grande échelle qui lui sont associées, peuvent offrir pour ouvrir la voie à de nouvelles sources d’énergie verte, telles que les réacteurs nucléaires de génération IV, les petits réacteurs modulaires et les technologies de fusion par plasma. Certaines des applications potentielles de la technologie des accélérateurs développée pour la recherche en physique subatomique permettent d’atténuer l’impact environnemental de la production d’énergie, par exemple dans la manipulation des matériaux radioactifs à longue durée de vie, qui nécessitent un déclassement prudent. Des efforts actifs sont déployés pour explorer la transmutation nucléaire, qui aura des répercussions mondiales plus larges pour l’énergie nucléaire verte. Par exemple, les accélérateurs linéaires de protons de haute puissance peuvent faire fonctionner des centrales nucléaires sous-critiques ou traiter les combustibles nucléaires usés par transmutation. Les accélérateurs d’électrons à haute intensité pourront également servir à traiter les gaz de combustion produits dans les centrales électriques industrielles. Par conséquent, la communauté de la physique subatomique et ses laboratoires mondiaux sont bien placés pour soutenir le développement de technologies qui atténuent l’impact climatique à l’avenir.

Retombées culturelles

La recherche en physique subatomique a un impact durable sur la société, grâce à l’inspiration fournie par une meilleure compréhension collective des lois fondamentales de la nature, et grâce à sa structure mondiale hautement collaborative. Le vif intérêt suscité par les nouvelles découvertes dans ce domaine est une source d’inspiration pour les Canadiens, et peut inciter les jeunes esprits à entreprendre des carrières dynamiques en sciences et en technologie.

Le Canada a eu la chance de compter plusieurs lauréats récents du prix Nobel de physique, notamment : Art McDonald, en 2015, pour la découverte des oscillations de neutrinos et son rôle moteur dans l’expérience SNO à Sudbury, en Ontario; Donna Strickland, en 2018, pour la physique des lasers à haute intensité; et Jim Peebles, en 2019, pour ses multiples contributions à la cosmologie théorique.

Au-delà de ces importantes reconnaissances par les pairs qui renforcent la stature des efforts canadiens en matière de physique subatomique et suscitent l’intérêt et l’enthousiasme du public, la sensibilisation du public est au cœur des activités de physique subatomique pour soutenir l’éducation du public et l’interaction avec la communauté. La sensibilisation est également essentielle en matière d’EDI, car elle permet d’atteindre les groupes sous-représentés et de chercher à intéresser le public canadien et les futurs étudiants à la physique subatomique. Les grands centres, TRIUMF, le SNOLAB, l’Institut Périmètre, l’Institut McDonald et les universités ont des programmes de vulgarisation qui constituent un service de base essentiel pour favoriser l’impact à tous les niveaux – le grand public, les élèves des écoles primaires et secondaires et les étudiants de premier cycle. Il est important de reconnaître que les efforts de sensibilisation demandent du temps et des efforts. La communauté peut soutenir efficacement d’autres actions de sensibilisation en s’associant à ces grands centres et à d’autres organisations communautaires. Ces efforts sont importants pour faire progresser la compréhension de la physique subatomique et notre connaissance croissante de l’univers au sein de la société canadienne.