AstroParticule et Cosmologie

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.