Faculté des Sciences - Pôles d'attraction interuniversitaires (PAI)


Projets PAI 2012-2017

PAI dont l'ULB est coordinateur:


Recherche des neutrinos émis par la matière noire


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Près de 99% de la matière de l'univers se présente sous forme de plasma, à savoir de gaz partiellement ou totalement ionisés. L'étude de la chimie-physique des plasmas titille donc la curiosité de nombreux scientifiques.

Multidisciplinaire, intégrateur, ce PAI vise à explorer expérimentalement et théoriquement les interactions entre plasmas et surfaces, à les modéliser, à mieux comprendre les mécanismes en jeu, à étudier leurs phase gazeuse et leur réactivité aux surfaces, le processus d'ionisation, le transfert d'énergie ou encore l'intervention des plasmas en catalyse.

Les perspectives appliquées des plasmas sont nombreuses: traitements de surfaces, transformation de matériaux, dépôt de nouvelles couches intelligentes, applications environnementales et bio-médicales, etc. Les plasmas sont en effet le siège d'une nouvelle chimie, respectueuse de l'environnement, encore largement inexploitée, parce que mal comprise. L'objectif de ce PAI n'est pas de les explorer mais bien de construire le « socle » de recherche fondamentale indispensable - comprendre les systèmes « plasmas » et développer des modèles prédictifs - pour ensuite, à travers d'autres projets ponctuels, pouvoir progresser vers des applications ou en développer de nouvelles.

Le réseau comporte des équipes de l'ULB - Ecole polytechnique de Bruxelles, 4MAT, Marie-Paule Delplancke (coordinateur du PAI) et ATM, Gérard Degrez ainsi que Faculté des Sciences - CHANI, François Reniers -; de l'Université d'Anvers; de l'UCLouvain; UMons; , de l'UMons, Université Paris sud-CNRS (F) and University Eindhoven (Nl).


Photonics@be: towards smart photonics in 2020


La photonique désigne l'étude des photons, ces particules composant la lumière. Plus largement, le terme photonique désigne aussi toutes les applications technologiques de l'optique. Au sein de ce PAI, les chercheurs tentent de rendre les dispositifs optiques « plus intelligents », grâce à l'étude, à la définition et à l'exploitation des interactions entre la lumière et la matière.

Le but est de concevoir des dispositifs moins gourmands en énergie, plus petits et plus performants que les composants électroniques classiques, et d'en élargir le champ des applications, en incluant entre autres certaines fonctionnalités au niveau de l'optique, plutôt que dans la partie électronique des systémes. Une gageure qui nécessite, au-delà du savoir-faire en optique, des compétences en informatique quantique, en science des matériaux, en micro-fluidique ou dans le domaine de l'intelligence artificielle.

Pour la 3e phase consécutive du programme PAI, ce projet rassemble les leaders de la photonique en Belgique ainsi que des équipes françaises et néerlandaise (dont l'équipe de Serge Massar, Faculté des Sciences). Coordonné par le groupe « OptiQ » - Philippe Emplit (Ecole polytechnique Bruxelles, ULB), il est subdivisé en 5 « workpackages » étroitement liés, favorisant l'interdisciplinarité et l'échange d'idées et de compétences entre les partenaires. Mené à bien, le projet pourrait déboucher sur des applications très diverses, allant du domaine de la santé humaine aux réseaux de télécommunications optiques en passant par l'éclairage !


Combinatorial Optimization: Metaheuristics and Exact methods


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A la croisée des mathématiques, de l'informatique et de l'économie, l'optimisation combinatoire a pour objectif de formaliser de manière mathématique et de résoudre des problèmes en choisissant une solution parmi une multitude d'options. Pour corser le tout, en général, le nombre d'options est trop grand permettre de les examiner une à une. Les applications sont nombreuses: dans le transport - quel est l'itinéraire optimal d'une tournée de camions en prenant en compte la charge, les livraisons, le trajet, le trafic… -; les télécommunications - où placer les câbles pour que le coût soit le plus petit et que le réseau soit fiable ? - ; etc.

Il existe deux manières de résoudre ces problèmes complexes: les méthodes exactes ou les méthodes métaheuristiques. Comme son nom l'indique, une méthode exacte vise à donner la meilleure solution, prouvée par algorithme mathématique. Mais cette approche a une limite: elle demande d'immenses capacités de calcul, donc du temps et s'avère finalement peu adaptée aux besoins industriels. La seconde approche, métaheuristique, en revanche est plus rapide, donc plus adaptée à l'entreprise mais si elle apporte une bonne solution, rien ne dit que c'est la meilleure solution.

L'objectif de ce PAI est de développer ces deux approches et surtout réussir à les croiser pour garder le meilleur de chacune et arriver à terme à trouver rapidement la meilleure solution à un problème complexe, à multivariables. Pour assurer cette « fertilisation croisée », les chercheurs vont travailler sur des problèmes identiques et comparer leurs résultats et approches. Le PAI permettra aussi de faciliter les échanges via notamment des workshops, des co-tutelles de thèses ou une université d 'été pour doctorants.

Coordinateur du PAI, l'ULB possède des compétences à la fois en méthodes exactes - avec le service Graphs and Mathematical Optimization, Bernard Fortz (coordinateur du pôle), Faculté des Sciences - et métaheuristiques - avec IRIDIA, Thomas Stützle, Ecole polytechnique de Bruxelles. Le réseau est composé d'équipes de l'ULB; de l'ULg; de la KULeuven; de l'UHasselt; de l'Université d'Anvers; de l'UCLouvain; de l'University of Maastricht (NL); de l'Université de Montréal (CA).


Fundamental interactions: at the boundary of theory, phenomenology and experiment


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Ce PAI (qui entre dans sa 3ème phase) s'adresse aux « Interactions Fondamentales ». Partant de la physique des particules élémentaires, les physiciens ont formulé des lois qui s'appliquent aussi bien à l'infiniment petit qu'à l'Univers. Le concept d'interactions fondamentales regroupe l'ensemble des forces connues (la gravitation, l'interaction électro-magnétique bien connue, les interactions fortes liant les quarks et les constituants du noyau, les interactions faibles, ténues mais responsables de l'énergie du Soleil comme de l'asymétrie au niveau microscopique entre matière et anti-matière, gauche et droite.

Outre les particules élémentaires, constituants de base de la matière, c'est l'Univers tout entier qui est le laboratoire de ces chercheurs. Les lois déduites permettent en effet de s'attaquer à la cosmologie, qui est devenue une science d'observation (rayonnement fossile à 3°K, observation de l'accélération de l'expansion), tandis que des limites astrophysiques contraignent sévèrement les propriétés de nouvelles particules prédites par les modèles théoriques. Les physiciens les étudient afin de mieux comprendre notre univers et son évolution. Cette recherche implique une interaction étroite entre physiciens théoriciens et physiciens expérimentateurs.

Elle passe aussi par des outils expérimentaux exceptionnels tels que le grand collisionneur de hadrons LHC au CERN, ou encore les télescopes IceCube au pôle sud, qui « chasse » les neutrinos d'origine cosmique, ou le télescope Telescope Array, qui détecte les rayons cosmiques d'extrêmement haute énergie. L'actualité nous fournit un exemple particulièrement frappant de complémentarité entre théorie et expérience. C'est dès 1964 que François Englert et Robert Brout, fondateurs du groupe de physique de l'ULB qui coordonne aujourd'hui ce PAI, ont livré la clef d'un mécanisme d'unification entre interactions faibles et électromagnétiques (bien mieux décrites à l'époque). Peter Higgs (Edimbourg) en donna peu après une formulation complémentaire. Cette approche, intégrée en 1967 dans le « Modèle Standard » fit l'objet de diverses confirmations expérimentales (l'équipe expérimentale de l'ULB fut associée à la découverte des courants neutres en physique des neutrinos dans les années 70). Une pièce manquait, le Boson Scalaire (ou Boson de Brout-Englert-Higgs) dont la découverte vient (2012) d'être annoncée au CERN par les les expériences ATLAS et CMS (les expérimentateurs belges sont regroupés dans cette dernière collaboration). Toutefois, il reste encore de nombreuses questions en physique des particules, qui sont étudiées par les équipes de ce PAI: des questions sur la nature de la matière noire, sur l'asymétrie matière/antimatière dans l'Univers, sur l'existence possible de dimensions supplémentaires de l'espace-temps, etc. Le LHC pourrait aussi découvrir d'autres particules au-delà du Modèle Standard, comme les particules supersymétriques qui sont prédites dans de nombreux modèles d'unification des forces de l'Univers.

Le PAI est cordonné par Jean-Marie Frère - Physique théorique, Faculté des Sciences, ULB - et implique également des équipes de l'ULB (Faculté des Sciences) - Barbara Clerbaux, Physique des Particules élémentaires -; de l'UCLouvain; de la VUB; de l'UA; de la KULeuven; de l'UGent; de DurhamlPPP (UK); du LAL (F); du NIKHEF (NL); de l'INR-Moscow (RU).


T lymphocytes: from basic biology to immunotherapy


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Ce PAI s'intéresse à la différenciation et au rôle des lymphocytes T dans la réponse immunitaire, en particulier vis-à-vis des tumeurs et lors de réactions inflammatoires chroniques. Lors d'un précédent PAI, les chercheurs se sont notamment intéressés au développement de protocoles de vaccination anti-tumorale ; ils ont montré que ces vaccinations provoquaient bien une réponse immune chez les patients vaccinés, mais que seuls 10 à 15% des cas aboutissaient à une régression des métastases.

Dans ce nouveau PAI, les chercheurs tentent de comprendre comment une réponse immune inflammatoire peut se déclencher et se maintenir même en absence d'infection, alors que dans le cas des réponses anti-tumorales, des mécanismes de régulation semblent empêcher la mise en place d'une telle réponse. Parmi les principaux suspects: les lymphocytes T régulateurs, qui constituent un frein naturel de la réponse immunitaire. Le rôle principal de cette classe de globules blancs est d'empêcher notre organisme de réagir contre ses propres cellules. Ces lymphocytes T à activité immunosuppressive semblent être déficients lors des réponses auto-immunes et inflammatoires, alors que les cellules cancéreuses semblent utiliser ce frein naturel pour se protéger et échapper à la réponse immunitaire.

Le PAI vise donc à mieux comprendre les facteurs qui régulent l'activité de ces cellules régulatrices afin de restaurer leur fonction lors des réponses auto-immunes, et de réduire leur activité afin de permettre la mise en place d'une réponse immune anti-tumorale.

Coordonné par l'Institut d'immunologie médicale, IMI (Faculté de Médecine) - Oberdan Leo-, le PAI implique le Laboratoire d'Immunobiologie de l'Institut de biologie et de médecine moléculaires, IBMM (Faculté des Sciences) - Muriel Moser - ainsi que des équipes de la VUB; de l'UCLouvain; de l'ULg; de l'UGent; de la KULeuven; de l'UHasselt; de l'ANU (Australian National University); du RU (Radboud University Nijmegen Medical Centre).


Tolerance and resistance to parasite infection: trypanosomatidae as paradigm


Parasite responsable de la maladie du sommeil chez l'homme et du nagana qui dévaste le bétail africain, le trypanosome a la capacité de « changer de manteau », entendez de modifier très régulièrement ses molécules de surface et ainsi d'échapper à la vigilance de notre système immunitaire. L'homme a acquis la capacité d'éliminer certaines souches de ce parasite, mais les trypanosomes gambiense et rhodesiense ont déjoué cette défense et sont donc toujours capables d'infecter l'homme. Ce PAI vise à mieux comprendre les interactions entre ce parasite sanguin et son hôte. Plusieurs avancées marquantes ont déjà été réalisées lors des PAI précédents.

Coordinateur du PAI « 2012 », le Laboratoire de Parasitologie moléculaire (Faculté des Sciences) - Benoit Vanhollebeke - se focalise plus particulièrement sur le rôle des apolipoprotéines dans notre immunité. Le groupe tente également de comprendre comment certains animaux parviennent à contrôler le parasite sans développer de maladies secondaires à l'infection, comme c'est le cas chez l'homme.

Le PAI implique quatre partenaires qui ont déjà collaboré lors du précédent PAI: l'ULB - IBMM, Faculté des Sciences -, la VUB, l'Institute of Tropical Medicine (Antwerp) et le Ludwig Maximilian University Munich (Germany). Les expertises de ces partenaires sont ici renforcées par l'arrivée d'un groupe supplémentaire de l'Institute of Tropical Medicine et d'un groupe de l'Université d'Orléans (France).


PAI dont l'ULB est partenaire:


Contemporary physical challenges for Heliospheric and AstRophysical Models

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De nombreuses régions de l'espace contiennent des nuages de particules chargées baignées dans un champ magnétique. Par exemple, le vent solaire est composé de particules libérées notamment lors d'éruptions solaires et qui voyagent dans l' espace, certaines en direction de la terre. D'un point de vue global, ce type de nuages de particules s'appelle un plasma et se comporte à grande échelle comme un fluide. La branche de la physique qui étudie le comportement de ce type de milieu est la magnéto-hydrodynamique.

Une des questions clefs étudiée dans ce PAI est la manière dont se répartit l'énergie au sein des différents tourbillons de matière qui composent un plasma comme le vent solaire.

Partenaire du PAI, le Service de Physique des systèmes dynamiques, (Bernard Knaepen, Faculté des Sciences de l'ULB) étudie les propriétés intrinsèques de ces milieux animés à différentes échelles spatiales et temporelles.

En comprenant mieux ces propriétés, les physiciens espèrent répondre à des questions telles que comment se forment les éruptions solaires?, à quel rythme peuvent-elles éjecter des particules?, comment la magnétosphère protège-t-elle la terre de ces particules provenant du vent solaire?, à quel rythme les étoiles se forment-elles à partir de nuages de plasma? Le laboratoire de l'ULB développe également une forte expertise en modélisation numérique, permettant de simuler en détails des plasmas comme ceux rencontrés en astrophysique. Coordonné par la KULeuven, le PAI compte des équipes de l'ULB, l'UGent, l'ORB-KSB, l'IASB-BIRA, Lu (Nl) et University of Durham (UK).


Planets: Tracing the Transfer, Origin, Preservation and Evolution of their ReservoirS

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Ce PAI s'intéresse à l'habitabilité des planètes du système solaire; il vise donc à identifier les conditions qui pourraient ou ont pu permettre la vie que ce soit sur Mars ou sur Europe (un des satellites de Jupiter) par exemple ou sur Terre en s'interrogeant sur le moment où est réellement apparue la vie. Multidisciplinaire, ce pôle tente de cerner les conditions de vie qu'elles soient géologiques, atmosphériques, etc. Entre autres, les chercheurs s'attellent à trouver des biotraceurs, des traces d'une activité biologique comme par exemple les fossiles.

Le service Géochimie : Traçage isotopique, minéral et élémentaire (Faculté des Sciences) - Vinciane Debaille - de l'ULB s'intéresse plus particulièrement à la signature chimique des roches (terrestres et extraterrestres) qui reflète des activités biologiques et/ou géologiques passées.

Les chercheurs tentent de comprendre la géologie des planètes terrestres pour répondre à des questions telles que comment une planète est-elle née ?, comment a-t-elle évolué ?, etc.

Les chercheurs tentent également de retrouver des traces de vie sur Terre dans des roches anciennes pour comprendre quand la vie est apparue sur Terre et tenter ensuite d'appliquer leurs observations à d'autres planètes. Coordonné par l'ORB-KSB, le PAI implique des équipes de l'ORB-KSB, l'ULB, l'IASB-BIRA, la VUB, l'UGent, l'ULg, le DLR (D).


Dynamics, Geometry and Statistical Physics

Ce PAI permet aux mathématiciens et aux physiciens de se rencontrer autour de l'étude de différents systèmes physiques ou différentes théories mathématiques. Plus précisément, les chercheurs se focalisent sur deux questions majeures. D'une part, ils étudient les limites lorsqu'on opère des changements d'échelle, lorsqu'on fait tendre un paramètre vers une valeur limite. D'autre part, ils s'intéressent aux déformations de systèmes.

Différents types de systèmes sont étudiés par les équipes de l'ULB au sein de ce PAI: le Center for Nonlinear Phenomena and Complex System (Faculté des Sciences) - Pierre Gaspard - étudie les systèmes complexes en mécanique statistique tandis que le Service de Géométrie différentielle et Algèbre du Département de Mathématiques (Faculté des Sciences) - Simone Gutt - étudie les systèmes qui émergent de la géométrie symplectique.

Coordonné par l'UCLouvain, le PAI implique des équipes de l'UCLouvain, de l'ULB, de la KULeuven, de l'ULg, du Radboud Universiteit Nijmegen (NL), de l'Université du Luxmbourg (L), de l'Instituto National de Matematica Pura e Aplicada (BR), de l'Université Paris Dauphine (F).


Role of developmental processes in the virulence oh human pathogens: from molecular mechanisms to novel therapeutic targets

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Coordonné par l'Université de Gand, ce PAI s'intéresse aux mécanismes de développement des micro-organismes pathogènes tels que les bactéries Staphyloccus aureus, Escherichia coli et Brucella abortus et le champignon Candida albicans.

Partenaire du pôle, le Laboratoire de Génétique et de Physiologie bactériennes (Faculté des Sciences) - Laurence Van Melderen - étudie principalement le phénomène de persistance chez les bactéries: grâce à ce mécanisme qui est provoqué par un stress, les bactéries entrent en état de « dormance »; certains gènes provoquent un ralentissement de leur métabolisme. Conséquence ? Les bactéries résistent aux antibiotiques qui agissent généralement sur des cellules en division. Ce phénomène serait notamment responsable de certaines infections chroniques.

Le PAI implique des équipes de l'UGent, de l'ULB - Laurence Van Melderen, IBMM, Faculté des Sciences -, de la KULeuven, des FUNDP, de l'UCLouvain et de l'UoM (US).