DOSI-ART

Les méthodes de datation telles que celles développées à l’IRAMAT-CRP2A (CNRS-Univ. Bordeaux 3) sont devenues des outils incontournables dans l’étude de l’histoire de l’Homme et de son environnement, fournissant des jalons chronologiques qui servent à donner une dimension temporelle aux objets archéologiques et parfois même, leur donnant un sens nouveau. Fondées sur la dosimétrie des rayonnements ionisants, ces méthodes nécessitent la prise en compte de nombreux facteurs (composition des matériaux, géométrie, distribution de la radioactivité), qui font de ces objets archéologiques des systèmes complexes. Leur datation doit ainsi, à terme, passer par la modélisation des effets dosimétriques en associant la caractérisation de ces systèmes, réalisée à l’IRAMAT-CRP2A, et l’expertise en modélisation/simulation des physiciens du Centre d’Etudes Nucléaires de Bordeaux-Gradignan (CENBG ; CNRS-Univ. Bordeaux 1). Ces derniers développent en effet un outil de simulation de dernière génération, Geant4, basé au CERN (Genève), en accès entièrement libre à la communauté scientifique et qui représente aujourd’hui l’état de l’art pour la simulation des interactions particules- matière. Un logiciel dénommé DOSI-ART développé à partir de cet outil permettra la reconstruction de la dose reçue par les objets archéologiques, ce qui constitue aujourd’hui une étape indispensable pour améliorer leur datation. Les développements proposés en simulation seront pour la première fois directement intégrés à l’outil Geant4 pour le bénéfice de la communauté archéologique. Ce projet se situe donc dans un domaine largement inexploré, à la frontière entre physique nucléaire et archéologie.

Étudier l’évolution humaine sur les dernières centaines de milliers d’années nécessite de disposer d’outils de datation permettant de situer les vestiges archéologiques mis au jour sur une échelle globale : en effet, ce n’est qu’à cette condition que ces vestiges peuvent être évalués, comparés, et resitués par rapport à des indicateurs qui nous renseignent sur l’évolution des paléoenvironnements et des paléoclimats.

Le développement de méthodes de datation couvrant plusieurs centaines de milliers d’années est donc un enjeu important car, pour ces périodes reculées, la méthode de datation par le carbone 14 (C-14) ne s’applique pas, sa portée chronologique étant limitée aux derniers 40-45 000 ans en raison de la très faible teneur en C-14 des vestiges archéologiques. Ce sont ainsi les méthodes paléodosimétriques qui focalisent l’attention des chercheurs. Ces dernières utilisent les supports divers retrouvés lors des fouilles, par exemple les roches taillées (silex, quartzites...) ou encore les dents d’animaux, comme dosimètres naturels. Ces matériaux aux origines variées présentent en effet la capacité d’enregistrer les doses de radiation auxquelles ils sont soumis, ces radiations émanant de la désintégration des radioéléments présents naturellement dans l’environnement (l’uranium, le thorium et leurs descendants, ainsi que le potassium-40). Ces dosimètres naturels se comportent donc comme des dosimètres artificiels (ceux portés par les médecins radiologues, par exemple) en intégrant les doses reçues au cours du temps. De fait, si l’on est capable de déterminer d’une part, la dose accumulée par un dosimètre, et d’autre part, la dose qu’il reçoit en une année - ce que l’on appelle le débit de dose -, il est alors possible de déterminer la durée pendant laquelle ce dosimètre a été exposé : cette durée est simplement obtenue en divisant la dose accumulée par le débit de dose. En datant une quartzite chauffée dans un foyer préhistorique, on détermine ainsi le temps écoulé depuis cette chauffe, ce qui permet de dater directement le foyer, et donc la période d’occupation du gisement archéologique. Il en est de même pour une dent : retrouvée dans une strate archéologique, sa datation permettra de situer dans le temps la formation de cette strate et de tous les objets qui y sont associés.

Le laboratoire IRAMAT-CRP2A développe depuis plus de deux décennies les méthodes paléodosimétriques utilisant les propriétés de luminescence de certaines roches ou minéraux ; il est ainsi devenu un laboratoire phare dans ce domaine, et est reconnu internationalement. Participant de fait à de nombreux programmes de recherche pluridisciplinaires impliquant à la fois des préhistoriens, archéologues, géologues..., les chercheurs de l’IRAMAT-CRP2A s’efforcent constamment d’améliorer la précision et la justesse des datations qu’ils réalisent. Leur expérience dans le domaine de la dosimétrie, c’est-à-dire dans tout ce qui touche à la mesure des débits de dose, les a conduits à envisager dernièrement une façon entièrement nouvelle d’évaluer ces paramètres dosimétriques. Cette nouvelle orientation des recherches méthodologiques est issue d’une réflexion sur la façon de considérer la complexité des objets archéologiques que l’on souhaite dater. En effet, un tel objet, par exemple un fragment de quartzite, possède une structure granulaire observable avec des outils devenus courants dans les laboratoires (microscopes optique ou électronique à balayage). Cette structure est caractérisée par des dimensions typiques qui correspondent à peu près aux dimensions des cristaux composant l’objet. Par ailleurs, des études ont montré que dans ces matériaux, les radioéléments ne sont pas répartis de manière homogène : bien souvent, ils se situent aux joints de grains, et parfois même, forment des "points chauds", c’est-à-dire des concentrations relativement élevées de radioéléments dans des dimensions réduites (parfois quelques microns seulement). Ces deux caractéristiques - l’aspect granulaire et l’hétérogénéité de la distribution des radioéléments - ont longtemps été peu considérées car, même si les chercheurs en avaient connaissance, ils n’avaient pas les moyens d’en tenir compte, si ce n’est de manière assez approximative. Mais la situation a changé ces dernières années avec le développement d’outils permettant de modéliser des milieux complexes (comme une quartzite) et de réaliser des simulations numériques mettant en jeu les particules ionisantes émises par les radioéléments naturels (uranium, thorium et leurs descendants, et potassium). Le logiciel de simulation des interactions particules-matière Geant4 est certainement l’un des plus abouti car il résulte de la collaboration de centaines de chercheurs, physiciens et ingénieurs, d’Europe, d’Amérique et d’Asie. Cette collaboration internationale a initialement développé cet outil pour la physique des hautes énergies, mais aujourd’hui, du fait des extraordinaires possibilités offertes par Geant4, ses domaines d’application se sont considérablement élargis, [allant de l’espace jusqu’au domaine médical en passant par la biologie->http://geant4.cern.ch/applications/index.shtml. Les physiciens du CENBG contribuent activement à ces développements et c’est donc tout naturellement qu’ils participeront, en tant que spécialistes de Geant4 et membres de la collaboration internationale qui en assure le développement, aux travaux de modélisation-simulation réalisés dans Dosi-Art.

Dans le cadre du projet Dosi-Art, les chercheurs du CENBG et de l’IRAMAT-CRP2A mettront ainsi à profit les possibilités offertes par Geant4 pour modéliser les objets archéologiques, tant au niveau de leur structure que de la répartition des radioéléments, de sorte à pouvoir évaluer précisément les débits de dose, et ainsi améliorer la précision et la justesse des datations.