AstroParticule et Cosmologie
Présentation
Le domaine des astroparticules est un domaine à l'interface entre l'étude de l'infiniment grand et de l'infiniment petit, entre physique des particules et astrophysique. Le laboratoire APC a été conçu pour rassembler les différentes communautés (expérimentateurs, observateurs et théoriciens) impliquées dans ce domaine.
Créé le 1er janvier 2005, il rassemble 65 chercheurs permanents, et plus de cinquante ingénieurs, techniciens et administratifs. En incluant les personnels non permanents (doctorants, boursiers postdoctoraux, visiteurs étrangers), ce sont quelques 180 personnes qui forment cette nouvelle structure, pilotée outre l'Université Paris 7 par le CNRS (représenté par trois de ses départements : IN2P3, SPM, et INSU), le CEA (DAPNIA) et l'Observatoire de Paris. Au 15 janvier 2007, tous ont rejoint le bâtiment de l'UFR de Physique sur le campus de Paris Rive Gauche.
L'idée d'APC remonte à 1999. Après une phase de mise en forme du projet et de son acceptation par les tutelles, une Fédération de Recherche a été mise en place en 2002 pour regrouper les équipes souhaitant rejoindre le nouveau laboratoire en 2005. Ces équipes provenaient du laboratoire de Physique Corpusculaire et Cosmologie (PCC) du Collège de France, du CEA, de l'Observatoire de Paris, de l'Institut d'Astrophysique de Paris, du Laboratoire de Physique Théorique d'Orsay. Un effort vigoureux de recrutement d'enseignants-chercheurs a été consenti par l'Université Paris 7 pour accompagner la montée en puissance d'APC.
Le laboratoire est centré autour de trois thématiques :
- Cosmologie et gravitation : l'objectif de la cosmologie est de comprendre l'histoire et la structure de l'Univers, dans lesquelles la gravitation joue un rôle important. La compréhension de l'univers primordial, l'étude du fond cosmologique micro-onde, l'identification de l'énergie noire sont certains des aspects des recherches menées dans le laboratoire, fortement impliqué dans la mission spatiale Planck et dans les observations à grand champ. La recherche d'ondes gravitationnelles, en particulier la préparation de la mission LISA d'interféromètre spatial, est un autre champ d'étude important au laboratoire.
- Astrophysique de haute énergie : les phénomènes violents dans l'Univers sont étudiés afin de mieux comprendre les processus physiques qui sont à l'oeuvre, le plus souvent au sein d'astres compacts, étoiles à neutrons ou trous noirs. Le laboratoire est fortement impliqué dans l'observation des rayons X (SIMBOL-X) et gamma
Thèmes de recherche
Le groupe Cosmologie et Gravitation de l'APC contribue à plusieurs expériences phares de la cosmologie observationnelle. Nous sommes impliqués dans les expériences de mesure du spectre de puissance des anisotropies de température et de la polarisation du fond diffus cosmologique (PLANCK, Brain, QUaD), de détection d'ondes gravitationnelles (LISA et LISA Pathfinder), de recherche de supernovae Ia distantes (SNLS) et dans le design du spectromètre X-shooter. Nos travaux se situent au carrefour de la physique des particules et de l'astrophysique.
L'objet de la cosmologie est de comprendre l'histoire et la structure de l'Univers. Elle s'appuie sur le modèle du Big Bang selon lequel l'Univers est en expansion à partir d'un état initial extrêmement chaud et dense. La description de cet Univers est l'objet du travail des théoriciens de l'Univers primordial et des modélisateurs de la formation des structures. Elle s'enrichit quotidiennement des observations et résultats d'expériences obtenus par les astrophysiciens et les physiciens des particules. La spécificité du laboratoire APC, qui réunira dans un même lieu des chercheurs des quatre communautés, prendra ainsi tout son sens.
Le choix des programmes expérimentaux a été dicté par leur pertinence dans le paysage international et par l'impact que pouvait y avoir les équipes s'engageant dans le projet de laboratoire. Le premier axe choisi est la mesure des anisotropies du fond diffus cosmologique avec une participation à la mission PLANCK de l'Agence Spatiale Européenne (satellite lancé en 2007 dans lequel les équipes françaises ont une contribution majeure) et au programme de ballon stratosphérique ARCHEOPS soutenu par le CNES (vols en 2001 et 2002). Le deuxième axe est Recherche des supernovas de type Ia en tant que « chandelles » standard permettant d'arpenter l'Univers jusqu'à des distances cosmologiques. Ce thème des supernovas constitue, par ailleurs, l'un des sujets transverses du laboratoire communs aux trois thèmes et aptes à mobiliser toutes les composantes du laboratoire (observateurs, expérimentateurs, théoriciens et modélisateurs).
Astrophysique de haute énergie
L'astrophysique à haute énergie a pour objet l'étude des sources extrêmes de l'Univers. Extrêmes dans les énergies globales mises en jeu, dans l'énergie maximale des particules qui y sont accélérées, dans les vitesses relativistes des éjections de matière qui y sont engendrées, et dans l'intensité de la force de gravitation qui y règne. En découvrant et observant ces sources, en cherchant à les comprendre dans leur complexité, les physiciens et astrophysiciens confrontent les lois de la physique à des conditions hors de portée de nos laboratoires, ce qui peut les amener à invoquer une nouvelle physique.
Dans cette thématique les chercheurs du laboratoire APC sont plus particulièrement intéressés par la dynamique de la matière et les phénomènes de rayonnement autour des trous noirs, stellaires et hyper massifs, par les processus d'accélération de particules et leur limite, autour des objets compacts comme dans les restes de supernovae, par l'élucidation de l'origine et du mécanisme des sursauts gamma, par la caractérisation à très haute énergie du rayonnement cosmique chargé, la détermination de son origine, et de ses sites d'accélération.
Pour s'attaquer à ces problèmes, les chercheurs du groupe thématique Astrophysique de Haute Energie sont au coeur du développement et de l'exploitation des instruments destinés à détecter le rayonnement haute énergie caractéristique des phénomènes mis en jeu. Rayonnement électromagnétique gamma, avec des accès privilégiés à l'observatoire spatial INTEGRAL et au télescope au sol HESS dont la sensibilité permet maintenant d'étudier de nombreuses sources. Rayonnement cosmique chargé, avec l'observatoire Pierre AUGER qui s'attaque à la détermination du spectre de particules aux énergies les plus ultimes. Neutrinos, avec ANTARES, première étape dans l'ouverture d'une nouvelle fenêtre astronomique, directement liée à celle des sites d'accélération de protons. Par ailleurs l'équipe est aussi impliquée dans la réalisation du spectrographe UV-IR X-Shooter pour caractériser l'émission rémanente des sursauts gamma et ainsi déterminer leur origine. Au delà de ces expériences en fonctionnement ou en réalisation, les chercheurs participent aussi aux évolutions de ces télescopes, comme pour HESS-2, et au développement de nouveaux projets, tels Simbol-X, Auger-Nord, EUSO, ou le km3?
Le groupe d'Astrophysique des Hautes Energies développe enfin des relations fortes avec les autres groupes, comme le groupe de Cosmologie via en particulier l'étude des sursauts gamma, et le groupe théorique pour l'interprétation scientifique des données et la modélisation des phénomènes en jeu dans les sources extrêmes.
Neutrinos
Le neutrino joue un rôle-clé à la frontière de la physique des particules et de l'astrophysique. Sa masse a de fortes implications en physique des particules, car elle ouvre une porte vers les théories de grande unification au delà du modèle standard, et en cosmologie, en liaison avec la matière noire. Sa nature même n'est pas établie : est-il une particule de Majorana ou de Dirac, c'est-à-dire est-il ou pas sa propre antiparticule ? « Last but not least », il est un incomparable messager : sa faible probabilité d'interaction lui permet de s'extraire aisément des milieux émissifs les plus denses (centre du Soleil, couches profondes des supernovas, noyaux actifs de galaxies). La découverte récente de l'oscillation des neutrinos avec les expériences de neutrinos solaires et de neutrinos atmosphériques a démontré que les neutrinos avaient une masse, mais l'échelle absolue de cette masse et les paramètres de mélange restent à déterminer.
Si les principaux axes de la physique du neutrino ont vocation à être représentés à l’APC, le programme futur doit intégrer les découvertes récentes. Les physiciens intéressés par les neutrinos solaires se sont focalisés sur les expériences en dessous du MeV ; ils participent à l'expérience Borexino, en cours de démarrage au Gran Sasso (après avoir mis un point final à la R&D LENS en montrant que le projet était actuellement à la limite de la faisabilité). Le futur s'est cristallisé en 2003-2004 autour d'une participation importante au projet Double CHOOZ. Il s'agit de mesurer le dernier paramètre inconnu de la matrice de mélange(angle theta13) ou d'abaisser la limite donnée en 1999 par l'expérience Chooz. L'expérience pourrait également contribuer à la lutte contre la prolifération nucléaire à partir d'une mesure précise du combustible utilisé dans les centrales.
Le futur plus lointain pourrait se dessiner autour d'un projet Megatonne dans le laboratoire souterrain du Fréjus, avec un détecteur qui, outre les neutrinos venant du CERN, pourrait observer la désintégration du proton et les neutrinos de supernovas.
Dans le domaine de l'astronomie neutrino, la participation à l'expérience ANTARES est évoquée dans la section sur l'astrophysique à haute énergie.
Autres contacts
Université Paris Diderot - Paris 7
U.F.R. Physique
Bâtiment Condorcet
10, rue Alice Domon et Léonie Duquet
75205 PARIS CEDEX 13