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18 Physique  L’électron est

3 Éditorial 6 Courrier

Recherche

8 L’événement

Recherche

Vingt-huit neutrinos cosmiques ouvrent une fenêtre sur l’Univers

déformerait le corps des malades Paléontologie Un superprédateur juste avant Tyrannosaurus rex

14 Physique Le boson de Higgs

A

A

prend de la matière Technologie Un piercing aux commandes d’un fauteuil roulant Paléontologie  « Séquencer un ADN humain aussi ancien est un bel exploit technique »

A

16 Climatologie Perturbations

renforcées dans l’océan Indien Éthologie L’alligator utilise des leurres pour chasser

n° 484 Février 2014 La Recherche est publiée par Sophia publications, filiale d’Artémis.

géantes animent le Soleil Microbiologie Une horloge interne commande les bactéries Web du mois Le plus grand herbier du monde Technologie Des impulsions lumineuses bien formées augmentent le débit des fibres optiques

22 Écologie La sécheresse renforce

la coopération entre des arbres et des fourmis Éducation Les inégalités pèsent sur le niveau des lycéens français

24 Cognition La dyslexie

résulterait d’un défaut de connexion cérébrale Géophysique Tohoku-Oki : un séisme aux pieds d’argile

25 Politiques Programme franco-russe

pour les enfants de Tchernobyl Médicaments : les maladies de la pauvreté négligées

www.larecherche.fr

En couverture :

© Atlas Experiment © Cern 2012 - Peter MacDiarmid/Getty Images/AFP - InView Offre d’abonnement : p. 73

Ce numéro comporte deux encarts La Recherche sur les ventes France et export (hors Belgique et Suisse) ; un encart Edigroup sur les ventes Belgique et Suisse ; un encart L’Histoire posé sur les abonnés.

12 Santé Une protéine du VIH

de plus en plus sphérique Neurosciences Nous mémorisons les lieux sans nous en rendre compte Biologie Un embryon de rein construit in vitro

20 Astrophysique Des structures

Recherche

Recherche A

actualités

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4 • La Recherche | février 2014 • nº 484


savoirs

idées 26 Dossier

Les mathématiques qui révolutionnent les images numériques

Des images aussi précises avec moins de mesures par Stéphane Barge 32 L’appareil photographique à un seul pixel 28 

par Philippe Pajot

34 

Emmanuel Candès : « Nous avons développé les mathématiques de la parcimonie » propos recueillis par Philippe Pajot

76 L’entretien

du mois avec Jean-Michel Besnier

« Le monde numérique simplifie la pensée » par Marina Julienne

38 Physique

Peter Higgs : « Imaginer que ma théorie était fausse semblait difficile »

propos recueillis par Olivier Dessibourg

42 Archéologie

Il y a 5 000 ans, une mystérieuse unité européenne par Marie Besse

47 Planétologie

Là où la Terre ressemble à Mars par Luc Allemand

50 Chimie

Un nouveau matériau dope les cellules solaires par Robert F. Service

56 Innovation

En Chine, les brevets gagnent en respectabilité par Denis Delbecq

60 Histoire des sciences

Un incroyable pari autour de la surpopulation par Cass Sunstein

66 Neurosciences

Raisonner, c’est inhiber nos intuitions par Olivier Houdé

70 Portrait Edith Heard

« Contrairement à l’homme, la femme est une mosaïque » par Nicolas Beau

80 Déchiffrage

10,9 milliards d’êtres humains en 2100 par Gilles Pison

81 Le grand débat

Le transport spatial a-t-il un avenir ? Avec Pascal Jaussi et Michel Eymard

86 Question d’éthique

Protéger des aires marines en Antarctique par Cécile Klingler

92 Histoire

de science

L’oublié de la chimie moderne par Rémi Franckowiak

87 Les livres 96 L’agenda 98 Curiosités nº 484 • février 2014 | La Recherche • 5


actualités

L’événement

Vingt-huit neutrinos cosm ouvrent une fenêtre sur l’ Installé au pôle Sud, l’instrument IceCube a détecté des neutrinos cosmiques de très haute énergie, témoins directs des phénomènes les plus violents de l’Univers. Par Julien journaliste.

Bourdet, 

M

ission accomplie : le 22 novembre dernier, l’équipe internationale chargée de l’expérience IceCube a annoncé la détection de plusieurs neutrinos cosmiques, grâce à l’instrument du même nom, installé au pôle Sud  [1]. Dotées d’une très grande énergie, ces particules seraient les témoins directs des événements les plus violents de l’Univers, tels que l’éjection de matière par des trous noirs supermassifs, les collisions d’étoiles à neutrons ou l’explosion de supernovae. D’où leur intérêt aux yeux des astronomes qui, pour étudier ces événements, ne disposent que d’outils indirects. Émis lors de réactions nucléaires, les neutrinos sont dépourvus de charge

Prise lors de la construction d’IceCube, cette photo montre l’un des 86 câbles de l’instrument et, au fond, l’un des 5 160 détecteurs, une sphère d’environ 50 centimètres de diamètre. © JIM HAUGEN/ICECUBE/NSF


immergé en Méditerranée, au large de Toulon (lire « L’eau contre la glace », p. 11). En ce sens, ils sont très différents des photons qui, eux, sont absorbés, et ne peuvent donc pas servir de témoins directs pour de tels événements. »

Instruments spécifiques.  « L’autre avantage des neutrinos, note Alexandre Creusot, du laboratoire astroparticule et cosmologie, à Paris, et membre de l’équipe d’Antarès, c’est que n’étant pas chargés, ils filent tout droit jusqu’à la Terre sans être, entre-temps, déviés par

les champs magnétiques. On peut ainsi remonter sans se tromper à la source qui les a engendrés. » Ce qui n’est pas le cas des rayons cosmiques, dont on pense qu’ils proviennent des mêmes astres, mais qui, du fait de leur charge ­électrique, subissent sur leur parcours des déviations qui empêchent de ­localiser leur source. Étant donné ces atouts des ­neutrinos, les astronomes rêvent depuis les années 1960 de construire des instruments capables de les détecter. Mais c’est un peu par hasard que cette discipline prend son envol : en 1987, deux >>>

Fig.1  Le fonctionnement d’IceCube En surface : 81 stations 324 détecteurs

Laboratoire IceCube 50 m

Neutrino

Atome

L’essentiel >>Des neutrinos cosmiques,

t rès rares et très énergétiques, proviennent des confins de l’Univers. Ce sont des témoins directs d’événements qui s’y sont produits.

>>Un instrument susceptible

de les détecter, IceCube, a été construit entre 2005 et 2010 en Antarctique.

>>En novembre 2013, 

les scientifiques en charge de l’expérience ont annoncé qu’IceCube avait détecté 28 neutrinos cosmiques.

Muon 1450 m

Détecteur Zone de détection : 86 câbles 5160 détecteurs

2450 m 2820 m

Tour Eiffel 324 mètres

Socle rocheux

IceCube surveille 1 kilomètre cube de glace grâce à 5 160 détecteurs. Répartis le long de 86 câbles, ceux-ci repèrent la lumière bleutée signalant le passage d’un muon, particule émise lorsqu’un neutrino heurte un atome. L’intensité de cette lumière indique l’énergie du neutrino correspondant, et l’ordre dans lequel les détecteurs s’allument, sa direction. nº 484 • Février 2014 | La Recherche • 9

© infographie bruno bourgeois

électrique et ont une masse extrêmement faible. Ils interagissent si peu avec la matière qu’ils traversent tout sur leur passage. Des milliards d’entre eux, émis par le Soleil, traversent chacun de nous toutes les secondes. D’autres encore jaillissent de l’atmosphère, où ils sont produits par le bombardement incessant des rayons cosmiques, des particules chargées venues de l’Espace. Enfin ­quelques-uns, beaucoup plus rares et beaucoup plus énergétiques, proviennent des confins de l’Univers : ils sont produits à l’occasion de phénomènes cosmiques extrêmement violents qui, en accélérant la matière à des vitesses proches de celle de la lumière, créeraient au passage ces neutrinos. « N’étant pas absorbés par la matière, ils s’échappent facilement des astres, aussi denses soient-ils, explique Paschal Coyle, du centre de physique des particules de Marseille et responsable scientifique d’Antarès, détecteur de neutrinos

© SVEN LIDSTROM/ICECUBE/NSF

iques Univers

Le laboratoire IceCube abrite les ordinateurs qui récupèrent les données brutes des détecteurs situés sous la glace. Une première reconstruction de ces données a lieu sur place.


Actualités

C

Le boson de Higgs prend de la matière

Technologie 

© RICCARDO MARIA BIANCHI/CERN 2013

est une certitude : des bosons de Higgs, particules qui donnent leur masse à toutes les autres, ont été fabriqués au Grand collisionneur de hadrons du CERN, à Genève. On le sait, car même si les bosons ont une durée de vie trop brève pour qu’on puisse les observer directement, les physiciens ont détecté certains produits de leur désintégration. Les collaborations i­ nternationales Atlas et CMS viennent d’en mettre en évidence d’autres, ­jusque-là très difficiles à repérer : des leptons tau, un type de particules élémentaires de matière [1]. Il existe cinq voies de désintégration du boson de

la trajectoire de deux leptons tau, puis d’un électron (en bas, en bleu foncé) et d’un muon (en rouge), caractéristique de la désintégration d’un boson de Higgs, a été observée grâce au détecteur Atlas.

Higgs. Trois mènent à d'autres bosons, types de particules qui portent les interactions fondamentales à l’œuvre dans l’Univers. Jusqu’à présent, les résultats décisifs ­d’Atlas et CMS, qui ont permis l’annonce de la

découverte du boson de Higgs le 4 juillet 2012, portaient sur ces voies. Dans les deux autres voies, le boson de Higgs se désintègre en deux types de particules élémentaires de matière : les leptons tau

et les quarks beauté. Ces voies génèrent plus de particules p ­ arasites que celles en bosons, ce qui rend leur détection plus difficile. Atlas et CMS ont obtenu un premier résultat significatif, selon les experts, dans la détection de leptons tau – même si, seul, il n’aurait pas suffi à annoncer la découverte du boson de Higgs. Ce résultat est exprimé en sigma, unité qui décrit un niveau de certitude. Il faut cinq sigma pour annoncer une découverte, soit une possibilité d’erreur sur 3 millions. Atlas et CMS affichent respectivement 4,1 et 3,4 sigma. n Vincent Glavieux [1] Collaboration Atlas, http://bit. ly/1hYrKPX, 2013 ; Collaboration CMS, http://bit.ly/19a8IUu, 2013.

Un piercing aux commandes d’un fauteuil roulant Casque de détection

Il détecte les variations de champ magnétique et les transforme en un signal qu’il transmet au smartphone.

Émetteur En avant accélération Gauche Droite

Capteurs 1 Action de la langue

En arrière décélération

Smartphone

Il décode les signaux et les traduit en commandes pour le fauteuil roulant.

4 Traduction des signaux 3 Transmission des signaux

Fauteuil roulant télécommandé Il se déplace dans quatre directions qui correspondent aux mouvements de la langue.

2 Détection du mouvement de la langue Capteurs

Piercing en titane

Il contient un aimant de 4,8 mm de diamètre et de 1,5 mm d’épaisseur.

5 Déplacement du fauteuil roulant

Avec ce système de détection des mouvements de la langue, mis au point par l’équipe de Maysam Ghovanloo du Georgia Institute of Technology, une personne atteinte de tétraplégie parvient à commander son fauteuil roulant. Pour cela, on lui place sur la langue un piercing contenant un tout petit aimant. Quand elle bouge la langue (1) selon quatre mouvements prédéfinis (haut, bas, droite, gauche), les variations de champ magnétique sont détectées par quatre capteurs (2) situés dans les branches de son casque le long de ses joues. Ensuite, ces signaux sont transmis (3) par un émetteur radio vers un smartphone, où ils sont décodés et convertis (4) en commandes pour faire déplacer le fauteuil roulant (5). © Philippe mouche

14 • La Recherche | février 2014 • nº 484

Source : j. Kim et al., sci.transl.Med., 5 (213), 213 RA 166, 2013

Physique 


➜ Bref

 « Séquencer un ADN humain aussi ancien est un bel exploit technique » Paléontologie 

➜ TECHNOLOGIE

Un Airbus équipé d’un système de détection infrarouge nommé Avoid a réussi à détecter, à 60 kilomètres de distance, un nuage de cendres ­volcaniques artificiel. Par sa taille et sa densité, ce nuage était équivalent à celui émis par le volcan Eyjafjöll, en Islande, en 2010, que l’on n’avait pas su repérer. http://tinyurl.com/Airbus-AVOID

➜ ÉPIDÉMIOLOGIE

Démence en recul

Bonne nouvelle, la ­prévalence des démences, toutes formes confondues, a tendance à diminuer chez les personnes âgées. Une synthèse d’études récentes indique en effet une baisse de quelques pour cent en moyenne depuis les années 1990 dans différents pays : États-Unis, Royaume-Uni, Pays-Bas et Suède. E. Larson et al., N. Engl. J. Med., 369, 2275, 2013.

➜ ÉTHOLOGIE

Fidélité natale Pour mettre bas, les ­requins-citrons f­ emelles retournent parfois à ­l’endroit exact où elles sont nées : de quatorze à dix-sept ans après leur ­naissance, 6 femelles nées entre 1993 et 1997 dans les îles Bimini, aux Bahamas, ont rejoint leur ancienne nurserie. Cela n’avait jamais été observé auparavant. K.A. Feldheim et al., Mol. Ecol., doi: 10.1111/mec.12583, 2013.

© DR

Détecter les ­nuages de cendres

Ludovic Orlando est professeur associé au Centre de géo­ génétique du Muséum d’histoire naturelle du Danemark, à Copenhague. Une équipe internationale a séquencé un ADN humain vieux de 400 000 ans. D’où provient-il ? L.O. D’un fémur trouvé dans la Sima de los Huesos, le « gouffre des os », dans la Sierra de Atapuerca, en Espagne. Ce site contient un important gisement de fossiles humains de la seconde moitié du Pléistocène moyen, il y a 500 000 à 120 000 ans. Ils appartiennent à 28 individus de l’espèce Homo heidelbergensis considérée comme l’ancêtre de Neandertal. L’équipe dirigée par Svante Pääbo, de l’institut Max-Planck à Leipzig, en Allemagne, a analysé l’ADN des mitochondries de ce fémur, les petits organites qui produisent l’énergie des cellules. Elle l’a presque intégralement séquencé, ce qui représente un bel exploit technique [1]. En quoi ce résultat est-il important ? L.O. Il s’agit du plus ancien ADN de la lignée

humaine séquencé à ce jour. Jusqu’alors, le plus vieil ADN mitochondrial humain intégralement reconstitué appartenait à une fillette du groupe des hommes de Denisova, ayant vécu il y a 70 000 à 80 000 ans en Sibérie. Plus un ADN est ancien, plus il peut être difficile à analyser : avec le temps, il se fragmente en morceaux de plus en plus petits et il accumule des dégradations qui modifient sa séquence. Comment les généticiens ont-ils résolu ce problème ? L.O. Ils ont mis au point une technique qui permet d’extraire de l’os des fragments d’ADN très courts. Ils les ont ensuite enrichi avec de petites séquences d’ADN mitochondrial d’hominidé ancien, synthétisées en laboratoire. Cela leur a permis de faire ressortir tout ce qui ressemblait à de l’ADN d’hominidé ancien. Mais un autre obstacle restait à franchir : la contamination de l’os par l’ADN des personnes qui l’avaient découvert et manipulé, et qui n’avaient pas forcément pris beaucoup de précautions. Pour isoler l’ADN ancien, les chercheurs se sont appuyés sur des modifications qui lui sont spécifiques, en particulier des mutations positionnées plutôt vers la fin des séquences génétiques.

Quelles informations ce séquençage apporte-t-il sur ces hominidés ? L.O. Les résultats sont surprenants. Alors que ces hominidés sont proches de Neandertal sur le plan morphologique, ils ont plus d’affinités génétiques avec les hommes de Denisova qui vivaient à plusieurs milliers de kilomètres de l’Espagne. Selon les auteurs, ces séquences communes pourraient être la signature d’une espèce ancestrale qui aurait transmis son ADN mitochondrial indépendamment aux hommes de Denisova et à ceux d’Atapuerca. Seul le séquençage de l’ADN contenu dans le noyau des cellules permettra de vérifier cette hypothèse. Quelles perspectives cette étude ouvre-t-elle ? L.O. Notre groupe a récemment séquencé le génome nucléaire complet d’un cheval préservé pendant 700 000 ans dans un sol gelé en permanence. Grâce à la technologie élaborée par Svante Pääbo et ses collègues, on pourra séquencer des génomes très anciens provenant de zones qui n’ont pas toujours été très froides, et vraisemblablement aussi des génomes plus récents mais plus dégradés par un environnement chaud et humide. n Propos recueillis par Jacques Abadie [1] M. Meyer et al., Nature, doi:10.1038/nature12788, 2013.

nº 484 • février 2014 | La Recherche • 15


Actualités

➜ Bref

Physique 

L’électron est de plus en plus sphérique

L

es physiciens ont une idée du diamètre de l’électron – il est de l’ordre du femtomètre (10-15 mètre). Toutefois, ils ne savent pas s’il est parfaitement sphérique ou légèrement ovale. Une expérience, menée par la collaboration américano-canadienne ACME (acronyme anglais de « groupe d’études avancées sur les molécules froides et l’électron »), vient de prouver que, si distorsion il y a, elle ne dépasse pas 10-31 mètre [1]. D’après le modèle standard de la physique des

particules, la théorie qui décrit les particules élémentaires et leurs interactions, l’électron devrait être une sphère presque parfaite. Mais si l’on se place dans le contexte d’autres théories, comme la supersymétrie, certains modèles prédisent une légère déformation. Celle-ci proviendrait des interactions de la particule avec les champs ­électriques du vide. Dans leur expérience, les membres de la collaboration ACME ont étudié des paquets de molécules de monoxyde de thorium. Il s’agit de particules massives :

la distorsion des électrons, si elle existe, y est donc plus facilement détectable. Les chercheurs ont cryogénisé ces molécules, afin de les ralentir. Puis ils les ont envoyées dans une région protégée magnétiquement et y ont appliqué un champ électrique variable. Grâce à un laser d’une grande précision, ils ont provoqué la fluorescence des molécules, pour mettre en évidence d’éventuelles asymétries de l’électron. Mais ils n’en ont pas trouvé. n Vincent Glavieux

➜ ENVIRONNEMENT

Neutralité de l’Amazone

Selon une équipe francobrésilienne, la moitié de la matière carbonée produite par la végétation du bassin de ­l’Amazone finit dans le fleuve. Or, cela correspond à la quantité de dioxyde de carbone qu’il dégaze. Conclusion : le bilan carbone du fleuve est neutre. G. Abril et al., Nature, doi:10.1038/ nature12797, 2013.

➜ ÉDUCATION

Physique au féminin Comment motiver plus de filles à étudier la physique ? Une étude menée aux ÉtatsUnis avec 1 580 étudiantes indique que des débats, en classe, à propos de la sousreprésentation des femmes sont plus efficaces que de citer des physiciennes en exemple.

[1] Collaboration ACME, arXiv:1310.7534, 2013.

Nous mémorisons les lieux sans nous en rendre compte Neurosciences 

vidéo, pendant que les électrodes enregistraient l’activité de leur hippocampe. Cette structure du cerveau, essentielle à la mémoire épisodique, contient des « cellules de lieux » qui fonctionnent un peu comme un GPS : elles s’activent selon un schéma particulier, lorsque l’on s’arrête dans un lieu précis. Dans le jeu vidéo, les patients devaient se déplacer dans une ville virtuelle pour déposer divers objets dans des magasins. À chaque arrêt, le jeu leur indiquait dans quel nouveau magasin aller, mais sans leur dire quel objet ils devaient

18 • La Recherche | février 2014 • nº 484

y laisser. Après 13 livraisons, le jeu s’arrêtait. On demandait alors aux patients de nommer les objets déposés, tout en enregistrant à nouveau l’activité des neurones de lieu de leur hippocampe. Résultat : quand ils citaient un objet, leurs cellules de lieu s’activaient selon un schéma identique à celui enregistré dans le magasin où ils avaient livré l’objet en question. Une confirmation que la mémoire d’un événement est corrélée au niveau neuronal avec le lieu où il s’est déroulé.  n Marie-Laure Théodule

[1] J.F. Miller et al., Science, 342, 1111, 2013.

Res., 9, 020115, 2013.

➜ BIOLOGIE

Amborella séquencée Plante endémique de Nouvelle-Calédonie, Amborella trichopoda est l’unique représentant de la plus ancienne lignée de plante à fleur connue. Le récent séquençage de son génome servira de référence pour reconstituer l’évolution des gènes de toutes les plantes à fleurs. Science, 342, 1467, 2013.

© sangtae kimx aaas 2013

L

e souvenir d’une expérience passée nous rappelle souvent d’autres événements ayant eu lieu au même endroit. Comme si le lieu faisait partie des éléments contextuels que nous mémorisons sans nous en rendre compte. Cette hypothèse, souvent émise par les neuro­psychologues, vient d’être confirmée ­expérimentalement [1]. Sept patients épileptiques, auxquels on avait précédemment implanté des électrodes pour ­soigner leur trouble, ont été mis à contribution. Il leur était demandé de jouer à un certain jeu

Z. Hazari et al., Phys. Rev. ST Phys. Educ.


© courtesy of the salk institute for biological studies

Biologie 

P

Un embryon de rein construit in vitro

arler de « mini-rein de synthèse » serait exagéré. Mais l’assemblage cellulaire en forme de champignon ci-dessus s’en approche : c’est un bourgeon urétéral, structure indispensable au développement rénal chez l’embryon. Il est à l’origine du réseau de tubules caractéristique du rein – les sites où l’urine, d’abord très diluée, est peu à peu concentrée. Une telle reconstruction in vitro ouvre des perspectives d’étude du développement rénal et de certaines pathologies associées. On la doit à l’équipe de Juan Carlos Izpisua Belmonte, de l’institut Salk à La Jolla, en Californie [1]. Les biologistes ont utilisé des cellu-

les ­souches embryonnaires humaines, qu’ils ont poussées à se différencier vers la lignée cellulaire à l’origine des cellules du rein. Cela, en ajoutant certaines molécules dans le milieu de culture. Au bout de quatre jours, ils ont mis ces cellules partiellement différenciées en présence de cellules provenant de reins d’embryons de souris (en rouge). La différenciation des cellules humaines (en vert et bleu) s’est poursuivie sous l’effet des interactions avec les cellules de souris, tandis qu’elles adoptaient spontanément la structure tridimensionnelle d’un bourgeon urétéral. n Cécile Klingler [1] Y. Xia et al., Nat. Cell Biol., 15, 1507, 2013. nº 484 • février 2014 | La Recherche • 19


savoirs

Dossier

© KLAUS GULDBRANDSEN/SPL/COSMOS

Les mathémati qui révolutionn les images num

Cet appareil d’imagerie par résonance magnétique permet d’obtenir des images du corps en « tranches ». Grâce à l’acquisition comprimée, ces images sont obtenues avec un temps réduit d’immobilisation du patient. 26 • La Recherche | Février 2014 • nº 484


ques ent ériques ■■Dossier préparé par Luc Allemand

L

es mathématiciens seraient-ils parfois magiciens ? Avec la théorie de « l’acquisition comprimée », ils proposent rien moins que de reconstituer des signaux dont on n’a mesuré que quelques pourcents. Qui plus est, ces mesures doivent être faites au hasard. Ainsi, on réalise des images médicales bien plus rapidement qu’aujourd’hui ; on se contente d’un seul pixel pour prendre des photographies ; ou on trouve plus vite des gènes impliqués dans une maladie. Mais rien de magique : toutes ces avancées reposent sur des théorèmes rigoureusement démontrés. Et leur mise en œuvre nécessite des algorithmes, eux aussi, très élaborés.

1 Des images aussi précises avec moins de mesures Par Stéphane Barge 2 L’appareil photographique à un seul pixel Par Philippe Pajot 3 Emmanuel Candès : « Nous avons développé les mathématiques de la parcimonie »  P ropos recueillis par Philippe Pajot nº 484 • Février 2014 | La Recherche • 27


savoirs

>>Images numériques • 1

1 • Des images aussi précises avec moins de mesures Reconstituer une image dont on n’a enregistré que quelques pixels, tel est le défi relevé par l’acquisition comprimée. Cette nouvelle technique de traitement du signal profite déjà à l’imagerie médicale par Stéphane Barge, journaliste.

T

out a commencé par un examen du foie. Un examen qui aurait pu être banal… s’il ne s’était agi d’obtenir des images de l’organe qui avait été greffé, quelques mois plus tôt, sur un enfant âgé de 2 ans à peine. « Les dernières analyses étaient inquiétantes, se souvient Shreyas Vasanawala, pédiatre à l’hôpital pour enfants Lucile Packard, à Palo Alto, aux États-Unis. Nous soupçonnions qu’un des canaux biliaires était obstrué et nous avions besoin d’images très précises pour vérifier le diagnostic afin de pouvoir soigner le patient. » La technique idéale pour observer ces canaux était l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Mais pour qu’elle soit utilisable, l’enfant devait rester parfaitement immobile pendant tout l’examen, sous peine de brouiller les images. Au point que l’équipe médicale avait envisagé une anesthésie suffisamment profonde pour stopper sa respiration. Le hic, c’est qu’il aurait fallu deux bonnes minutes pour prendre un cliché avec une IRM classique. « L’enfant n’y aurait évidemment pas survécu, raconte le pédiatre. C’est pour cela que nous avons

L’essentiel >>L’acquisition comprimée permet de reconstituer un signal à partir d’un petit nombre de mesures réalisées aléatoirement.

>>Elle fonctionne pour des signaux « parcimonieux », c’est-à-dire possédant une structure.

>>L’imagerie par résonance magnétique est l’application la plus développée, car les signaux mesurés n’ont pas besoin d’être traités pour être parcimonieux.

28 • La Recherche | février 2014 • nº 484

décidé d’exploiter une nouvelle ­technique de capture d’images, beaucoup plus rapide. » Grâce à elle, il a suffi d’une quarantaine de secondes pour saisir des images parfaitement claires, avec seulement une anesthésie légère ralentissant la respiration de l’enfant. Le diagnostic a été confirmé et l’enfant a pu être soigné.

Gain de temps. C’était en 2009. La nouvelle technique, c’était l’acquisition comprimée  [1]. À l’époque, le radiologue était perplexe quant aux bénéfices de cette méthode. Aujourd’hui, il ne peut plus s’en passer. « Je l’emploie cinq fois par jour, confie-t-il. Grâce à elle, un examen qui prenait 45 minutes avec une IRM traditionnelle n’en excède pas 15. » Pour Shreyas Vasanawala, il n’y a pas de doute : l’acquisition comprimée a commencé à bouleverser l’imagerie médicale. Le principe de l’acquisition comprimée est simple à énoncer : il s’agit de reconstituer l’intégralité d’un signal dont on n’a enregistré qu’une petite partie. La méthode, fruit d’années de recherche en mathématiques appliquées, est si efficace qu’elle permet de s’attaquer à n’importe quel type de signal : ondes sonores, sismiques ou électro­ magnétiques. L’IRM est l’une des ­premières méthodes à l’exploiter concrètement. « Ce procédé représente un nouveau paradigme dans l’univers du traitement du signal », explique Rémi Gribonval, d’Inria à Rennes. L’acquisition comprimée repousse en effet les contraintes imposées depuis plus d’un demi-siècle par une loi fondamentale du domaine : le théorème d’échantillonnage établi par les Américains Claude Shannon et Harry Nyquist. Dès 1949, les deux scientifiques avaient montré à quelles conditions un signal ana-


© COURTESY OF MICHAEL LUSTIG, DPT OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMPUTERSCIENCES/UNIV. OF CALIFORNIA, BERKELEY

Sur ces images en résonance magnétique de l’abdomen d’un enfant de 3 ans, acquises sept fois plus vite que la normale, on reconnaît le foie (en gris, en haut) et l’amorce du système circulatoire des jambes (triangle blanc, en bas). La reconstruction directe (à gauche) est brouillée, tandis que celle traitée en acquisition comprimée (à droite) révèle plusieurs détails importants pour le diagnostic (flèches).

logique variant dans le temps peut être reconstruit après avoir été « saucissonné » en tranches régulières. Mais, toujours selon ce théorème, le signal ne peut être reconstruit sans perte d’informations que si l’épaisseur des tranches – en termes mathématiques, la fréquence d’échantillonnage – est supérieure ou égale à deux fois la fréquence la plus élevée du signal d’origine. Par exemple, pour faire une photographie numérique, plus on veut une résolution d’image (le signal) élevée, plus il faut de pixels pour mesurer l’intensité lumineuse. Pour afficher une image de 10 millions de pixels, par exemple, il faut impérativement 10 millions de mesures, ce que l’on trouve couramment aujourd’hui sur les appareils photographiques du commerce. En supposant que la mesure de chaque pixel est codée sur un seul octet, le fichier numérique correspondant a une taille d’au moins 10 mégaoctets. Comme ces images prennent une place non négligeable, de nombreux algorithmes de compression (dont les plus courants sont JPEG et JPEG2000, son successeur) ont été mis au point. Classiquement, ils réduisent d’un facteur 10 la taille du fichier. On enregistre ainsi plus d’images dans la mémoire de l’appareil et on réduit les temps de transfert vers un ordinateur. L’opération est bien sûr réversible : une décompression permet de restituer l’image d’origine quand on souhaite l’afficher. Mais avec ce procédé, on réduit la taille de l’image après que l’appareil a saisi l’intégralité des pixels. « Au final, ce n’est pas vraiment rentable puisque,

sur les 10 millions de pixels mesurés à l’origine, seuls 10 % ont été réellement utiles à la reconstruction de l’image, explique Denis Friboulet, du centre de recherche en acquisition et traitement de l’image pour la santé, à Villeurbanne, dans le Rhône. Pourquoi acquérir une si grande quantité d’informations, si c’est pour en jeter 90 % à la poubelle ? »

Cartographie du sous-sol. D’où l’idée de ne prélever d’emblée que les 10 % d’informations pertinentes, ces pixels qui permettent à eux seuls de reconstituer l’image. La proposition paraissait si déroutante qu’elle a plongé bon nombre de scientifiques dans des abîmes de perplexité. Reconstituer une image à partir d’un petit ­nombre de pixels, sans même l’avoir « regardée » ? Autant essayer de deviner le numéro de carte bancaire de votre voisin sous prétexte qu’il n’y a que 10 possibilités pour chaque chiffre ! Et pourtant, le principe n’est pas tout à fait nouveau si l’on réfléchit en termes du traitement du signal. Dès la fin des années 1970, des géo­logues avaient en effet trouvé le moyen d’établir une cartographie assez précise des strates du soussol en analysant les ondes sismiques qui s’y propageaient  [2]. Et cela alors que les signaux qu’ils captaient recelaient trop peu d’informations pour être reconstitués, selon le théorème de ShannonNyquist. Cette première entorse à cette loi si fondamentale révolutionna la prospection pétrolière, sans que l’on sache exactement, à ce moment-là, en expliquer les fondements mathématiques. >>> nº 484 • février 2014 | La Recherche • 29


savoirs

Physique

peter higgs : « Imaginer que ma théorie était fausse semblait difficile »

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Le Prix Nobel de physique 2013 revient sur cinquante ans d’histoire de la physique des particules : de ses travaux théoriques à la découverte du boson de Higgs en passant par la construction du « modèle standard ».

38 • La Recherche | février 2014 • nº 484


© PETER MACDIARMID/GETTY IMAGES/AFP

La Recherche : Avez-vous récupéré de votre « nobelitis », maladie imaginée par le physicien Sheldon Glashow, caractérisée par des trépignements peu avant l’annonce des prix Nobel, et dont vous avez dit être affecté ? Peter Higgs : Oui. En 2013, elle a été particulièrement virulente à partir de la confirmation, en mars, que la particule découverte à l’été 2012 était bien celle que l’on cherchait… Après le tumulte lié à l’annonce du prix Nobel, j’espère que ma vie redeviendra plus normale, avec moins de sollicitations – même si j’en doute. En 2007, vous disiez que vous seriez triste si l’on ne découvrait pas ce « boson de Higgs ». En avez-vous vraiment douté ? P.H. Peu. J’ai souvent dit que si ce boson n’existait pas, cela signifierait que la structure théorique établie pour décrire la matière, le modèle standard, qui semble bien fonctionner, serait un non-sens. Ce boson est la signature du mécanisme par lequel toutes les autres particules acquièrent leur masse. Imaginer le contraire de cette théorie était donc très difficile. Comment en êtes-vous venu à ­postuler cette particule ? P.H. Après mes études au King’s College de Londres, arrivé à l’université d’Édimbourg, j’étais un peu perdu dans mon cursus. Je me suis intéressé aux travaux des physiciens japonais Yoichiro Nambu et britannique Jeffrey Goldstone. Le premier travaillait sur les supra­conducteurs. Il a découvert les « brisures spontanées de symétrie »… ... et remporté pour cela le Nobel en 2008. Pour expliquer ce concept, vous utilisez l’image d’un bol en forme de sombrero mexicain.

Peter Higgs inaugurait, en novembre 2013, l’exposition « Collider » du Science Museum de Londres, consacrée à la découverte de la particule dont il a prédit l’existence en 1964. Il pose devant une photographie du Grand collisioneur de hadrons (LHC), qui a permis de prouver le bien-fondé de sa théorie.

P.H. Si vous placez une bille au fond d’un bol, elle se retrouve dans son état d’énergie minimale. Faites alors tourner le bol : peu importe l’angle de rotation, l’ensemble reste symétrique par rapport à la position originelle du bol. Prenez maintenant un bol avec un renflement au centre, comme un culot de bouteille. L’état d’énergie minimale pour la bille se trouve au fond du canal circulaire créé par le culot et la paroi du bol (elle ne peut glisser plus bas). Tournez alors un peu ce « bol mexicain » : la symétrie ne sera plus respectée par rapport à la position originelle du bol. Pourtant, sans la bille, le bol lui-même est symétrique. C’est cela, la « brisure de symétrie spontanée » ? P.H. En quelque sorte. Et Yoichiro Nambu a postulé que le vide qui nous entoure et qui correspond à l’état fondamental serait, comme le bol mexicain, empreint d’une telle brisure de symétrie. De son côté, Jeffrey Goldstone travaillait sur la « ­t héorie quantique des champs ». Celle-ci considère les particules ­s ubatomiques comme des émanations ou fluctuations quantiques d’un champ sous-jacent. Un peu comme un flocon soulevé par le vent serait l’émanation d’un champ de neige ? P.H. Si l’on veut. Jeffrey Goldstone a alors publié un théorème crucial : si l’on considère une théorie quantique des champs de manière relativiste, sous certaines conditions, soit le vide est bel et bien symétrique, soit il ne l’est pas – la symétrie est brisée, selon Yoichiro Nambu. Mais alors le vide devrait générer des particules sans masse et de spin* nul ! Or c’est là que le bât blesse : si de ­telles particules existaient, elles auraient dû être détectées facilement. Ce qui n’a pas été le cas. Quel est le lien avec le boson de Higgs ? P.H. J’étudiais aussi l’électro­ dynamique quantique, qui avait pour *Le spin est une propriété quantique des particules élémentaires.

L’essentiel >>Dans les années 1960, des

physiciens théoriciens prévoyaient l’existence de nombreuses particules sans masse, mais on ne parvenait pas à les détecter. >>Peter Higgs a alors proposé un mécanisme théorique qui donnait une masse à toutes ces particules. >>Ce mécanisme a permis de développer le modèle théorique général, et il a été confirmé expérimentalement en 2012 par la découverte du « boson de Higgs ».

but de concilier l’électromagnétisme classique avec la mécanique quantique. C’était la seule réelle théorie à succès à l’époque. C’est en me promenant dans le parc de Cairngorms, dans les Highlands, que j’ai combiné des éléments de ces deux théories. J’ai trouvé une voie de sortie pour le paradoxe du théorème de Goldstone. Cela m’a permis de postuler, à l’aide de ce concept de brisure de symétrie, ce qui allait devenir le « mécanisme de BroutEnglert-Higgs » (BEH) : tout l’espace qui nous entoure est empli d’un champ quantique, appelé « champ de Higgs », qui permet à chaque particule baignant dans ce champ d’acquérir une masse lorsqu’elle interagit avec lui. Et comme dans la théorie quantique des champs, il devait émaner de ce champ une particule. Mais, selon mes calculs, celle-ci devait être massive. Plusieurs métaphores ont été proposées pour expliquer ce mécanisme complexe que – dit-on – seules quelques dizaines de scientifiques parviennent à décrire en détail. Avezvous une préférence ? P.H. Une image que je n’aime pas consiste à dire que la masse des particules est d’autant plus grande que ­celles-ci sont freinées dans le champ de Higgs à la manière d’une cuillère plus ou moins grosse qu’on traîne dans un pot de mélasse. Car cette >>> nº 484 • février 2014 | La Recherche • 39


La Recherche n°484 - Mathématiques. La théorie qui révolutionne l'image numérique