Section 01 Interactions, particules, noyaux, du laboratoire au cosmos

IV. Astroparticules et cosmologie

Le domaine des astroparticules et cosmologie est à la croisée de l'astrophysique, de la cosmologie et de la physique des particules. C'est un domaine de recherche émergeant qui se nourrit du mélange de méthodes et concepts issus de communautés différentes. Il recouvre l'étude de l'Univers violent, des systèmes astrophysiques qui sont le siège d'interactions dans des conditions extrêmes, ainsi que la naissance de notre Univers, son contenu et son évolution.

Des questions essentielles sont aujourd'hui posées, par exemple sur la nature de la matière noire et de l'énergie noire, sur la formation de grandes structures, sur l'asymétrie matière/antimatière, sur les propriétés des neutrinos, sur la description des premiers instants de l'Univers, sur la compréhension du rayonnement cosmique sur une gamme en énergie extrêmement large, etc. Dans ce contexte, le rayonnement électromagnétique de haute énergie, les rayons cosmiques chargés, les neutrinos cosmiques et cosmogéniques, les ondes gravitationnelles et le rayonnement diffus issu des premiers instants de l'Univers peuvent être, selon le cas, objets d'étude et/ou outils d'investigation.

La communauté française a joué un rôle important dans le développement du domaine depuis une vingtaine d'années. Elle est aujourd'hui organisée autour d'un programme expérimental diversifié et ambitieux où elle joue souvent un rôle très visible malgré des contraintes budgétaires importantes.

Nous reprenons ci-dessous une liste de thèmes scientifiques qui correspondent dans les grands traits à la manière dont la communauté est structurée.

A. Astronomie gamma

L'étude des rayonnements électromagnétiques de haute énergie constitue une sonde de l'Univers violent et permet l'étude de phénomènes physiques dans des conditions extrêmes. La France, qui a joué un rôle de premier plan dans le développement des techniques expérimentales, est impliquée aujourd'hui dans deux expériences majeures et complémentaires couvrant plus de six ordres de grandeurs en énergie entre 30 MeV et plusieurs dizaines de TeV.

Au-dessous de quelques centaines de GeV, l'instrument LAT à bord du satellite Fermi, avec son grand champ de vue associé à une stratégie de pointé originale, observe le ciel entier. Après 5 ans de fonctionnement, il a détecté plus de 3 000 sources, permettant de multiples études de populations et de sources individuelles plus détaillées. En plus d'avoir joué un rôle important dans la construction, la caractérisation et l'optimisation des performances de l'instrument, les équipes françaises contribuent activement aux principaux thèmes scientifiques de la mission et jouent un rôle remarquable dans la production de résultats. Parmi les résultats marquants citons : la découverte de plusieurs restes de supernovae (SNR) en interaction avec leur environnement immédiat et dont la signature spectrale laisse peu de doute quant à la production et l'accélération de rayons cosmiques en leur sein ; la découverte de plus d'une centaine de pulsars émetteurs gamma, dont 1/3 non encore détectés à d'autres longueurs d'ondes et 1/3 de pulsars dits « millisecondes » ; la détection et la caractérisation de plusieurs dizaines de sursauts gamma, dont certains ont permis de poser des limites très contraignantes sur une possible violation de l'invariance de Lorentz ; ainsi que des résultats sur la détermination du fond diffus infrarouge par l'étude de la population de blazars émetteurs gamma, dans une gamme en longueur d'onde complémentaire à celle des détecteurs Tcherenkov au sol, sur la détermination de fonds diffus gamma, etc. Cette expérience devrait se prolonger jusqu'en 2018.

À plus haute énergie, la première phase de l'expérience H.E.S.S., formée de quatre télescopes à effet Tcherenkov installés sur le sol Namibien, prend des données à pleine sensibilité depuis une dizaine d'années. Elle a constitué un catalogue d'une centaine d'accélérateurs cosmiques capables d'émettre au-delà de la centaine de GeV, remarquables par leur diversité : des sources galactiques, telles des nébuleuses de pulsars, des SNR jeunes, des SNR âgés en interaction avec le milieu interstellaire, des systèmes binaires, la région du centre galactique et en particulier l'émission diffuse des 100 parsecs centraux ; ainsi que des sources extragalactiques, en particulier radiogalaxies et blazars, ces derniers ayant permis pour la première fois une mesure de la densité du fond diffus infrarouge dans la gamme en longueur d'ondes entre 0.3 et 17 microns. Au-delà d'un travail actuellement en cours pour mettre à niveau les quatre premiers télescopes, l'ajout récent d'un cinquième télescope doté d'un miroir six fois plus vaste (phase H.E.S.S. II) a permis d'augmenter la sensibilité de l'instrument et d'en diminuer le seuil en énergie. H.E.S.S. II donne ainsi accès à la gamme 20 – 100 GeV, très importante mais encore peu couverte, avec des performances meilleures que celles de Fermi-LAT, en particulier pour ce qui concerne les sources variables ou transitoires comme les noyaux actifs de galaxies à grand redshift ou les pulsars. La collaboration poursuit ainsi l'exploration du ciel gamma en attendant l'avènement vers 2020 du projet CTA (Cherenkov Telescope Array).

Le consortium CTA, qui rassemble les différentes communautés d'astronomie gamma au niveau mondial, se propose de construire d'ici la fin de la décennie un observatoire d'une centaine de télescopes répartis sur deux sites (un par hémisphère). L'objectif est de couvrir un domaine en énergie de 10 GeV à 100 TeV avec une sensibilité meilleure d'un ordre de grandeur par rapport aux expériences actuelles. Cette collaboration a produit en 2014 le « Technical Design Report » qui définit les caractéristiques de l'instrument, dernière étape pour la création de l'observatoire. Avec 7 laboratoires de l'IN2P3 sur une douzaine de laboratoires français impliqués dans la préparation du projet, la communauté IN2P3 est résolue à jouer un rôle important, à la mesure du rôle qu'elle a joué dans le développement de la discipline ces vingt dernières années.

B. Rayons cosmiques chargés

L'étude des rayons cosmiques chargés reste un sujet central dans le champ des astroparticules et la France est impliquée dans plusieurs expériences qui étudient de manière directe ou indirecte ce phénomène.

À basse énergie, les expériences d'astronomie gamma (voir ci-dessus) ont cumulé plusieurs résultats sur les rayons cosmiques galactiques, avec en particulier l'identification récente par Fermi-LAT des restes de supernovae comme siège de l'accélération d'au moins une partie de ces particules. Toutefois beaucoup de questions restent ouvertes sur l'origine, l'accélération et la propagation des rayons cosmiques galactiques. Ces sujets sont les thèmes principaux d'expériences comme AMS-02 (sur la Station Spatiale Internationale, l'ISS) et CREAM (sur ballon stratosphérique), qui utilisent des techniques instrumentales proches de la physique des particules pour détecter et caractériser les rayons cosmiques à proximité de la Terre. Ces expériences, dans lesquelles la France est impliquée, couvrent ensemble le domaine du MeV au PeV, et sont actuellement en phase d'analyse des données acquises ces dernières années. Le développement de grands instruments tels que CTA, ainsi que la poursuite des efforts de modélisation de l'émission provenant d'une diversité de sources galactiques et de la propagation des rayons cosmiques dans le milieu interstellaire paraissent également nécessaires.

À plus haute énergie, l'expérience Auger, avec une forte implication de l'IN2P3, fonctionne à pleine sensibilité depuis 2007. La statistique accumulée au-delà de 1018 eV est sans précédent, mais les caractéristiques du flux de ces rayons cosmiques et leur interprétation (forme spectrale, distribution des directions d'arrivée, composition) fait encore débat. Pour aller au-delà une évolution des techniques de détection paraît nécessaire, et la communauté répartit ses efforts dans trois directions. D'abord par l'amélioration du réseau actuel de l'expérience Auger, via une segmentation des cuves du détecteur de surface pour permettre une estimation du contenu en particules de la gerbe et obtenir ainsi une meilleure identification du primaire. Ensuite par la poursuite du développement de la radiodétection des mêmes gerbes, avec différents projets, en particulier le réseau AERA – le plus grand réseau de ce type au monde – aujourd'hui en cours d'acquisition sur le site d'Auger. Les données des expériences CODALEMA et AERA, ainsi qu'un important travail de modélisation et simulation du champ électrique émis par les gerbes, ont permis récemment des avancées significatives dans la compréhension des mécanismes à l'origine de ce champ électrique. Le potentiel de cette technique d'étude des rayons cosmiques reste cependant encore à confirmer. Finalement, une partie de cette communauté est impliquée depuis plusieurs années dans le projet d'imagerie UV JEM-EUSO, qui vise à étudier les gerbes atmosphériques générées par des primaires au voisinage de 1020 eV par la détection de leur lumière de fluorescence depuis l'ISS. La France s'implique sur le développement de grandes surfaces focales instrumentées hyper-sensibles dans l'UV et dédiées à une utilisation spatiale, avec ces dernières années un rôle important dans la conception et la mise en œuvre du démonstrateur EUSO-BALLOON qui a volé au cours de l'été 2014.

C. Nouveaux messagers

La communauté française mène depuis plusieurs années un effort soutenu pour permettre l'observation d'objets astrophysiques à l'aide de nouveaux messagers que sont les neutrinos et les ondes gravitationnelles. Du fait de leur faible interaction avec la matière ces messagers permettront l'observation des zones les plus denses qui ne sont pas accessibles par l'étude du spectre électromagnétique.

Après plusieurs prises de données jusqu'en 2011 le détecteur terrestre d'ondes gravitationnelles Virgo, dans lequel est impliqué l'IN2P3, est entré dans une nouvelle phase (Advanced Virgo) pour gagner jusqu'à un facteur 1000 en volume d'univers observable. La construction se terminera en 2015 et sera suivie de plusieurs prises de données à partir de 2016 et d'un travail sur l'instrument pour l'amener à sa sensibilité nominale d'ici la fin de la décennie. Les analyses des futures données seront poursuivies en commun avec les instruments Advanced LIGO. Les estimations actuelles du taux de coalescences de binaires d'astres compacts prédisent une détection très probable à la sensibilité nominale de cette génération d'instruments. KAGRA, le premier détecteur souterrain, est en cours de construction au Japon et devrait intégrer le réseau déjà formé par les collaborations LIGO et Virgo vers la fin de la décennie. La France contribue aussi au projet eLISA, observatoire spatial dédié à la détection des ondes gravitationnelles à très basses fréquences. La mission pourrait être définitivement adoptée par l'ESA avant 2020 en fonction des résultats obtenus par le démonstrateur technologique LISAPathfinder dont le lancement est prévu à la mi-2015. En cas de sélection, le lancement de eLisa est prévu en 2034.

Le télescope à neutrinos sous-marin ANTARES, initié par la France, a commencé sa prise de données en 2005 et continuera ses activités dans la perspective du futur détecteur kilométrique méditerranéen KM3NET, dont la configuration est en cours d'étude. La détection d'une émission de neutrinos en provenance des objets observés en astronomie gamma permettrait de contraindre le poids de l'émission d'origine hadronique dans le spectre de ces objets. En 2013 IceCube, d'un volume d'un kilomètre cube situé au pôle sud, a publié l'observation de plusieurs événements au PeV ayant une origine extraterrestre très probable renforçant ainsi l'intérêt dans ce type de messagers.

Afin de maximiser l'exploitation scientifique de ces nouveaux vecteurs, un programme de suivi électromagnétique a été mis en place par les collaborations Virgo et ANTARES avec l'envoi d'alertes par des analyses rapides vers un réseau d'observatoires partenaires.

D. Matière noire

L'hypothèse que la matière noire soit une nouvelle particule stable, massive et n'ayant des interactions que de type faible (WIMP) est très attractive. Elle motive un effort expérimental intense sur plusieurs fronts : la recherche d'une telle particule au LHC, l'observation des produits de ses annihilations dans les rayons cosmiques (recherche dite indirecte), ou celle des reculs nucléaires dus aux collisions de WIMPs sur des détecteurs cibles sur Terre (recherche directe). Les recherches indirectes font partie des programmes d'un grand nombre d'observatoires d'astroparticules existants et déjà cités (AMS, H.E.S.S., ANTARES, etc.), les plus sensibles à l'heure actuelle étant Fermi-LAT et IceCube.

Jusqu'en 2010, les détecteurs de recherche directe les plus sensibles étaient les bolomètres germanium (expériences CDMS et EDELWEISS), pour ensuite être devancés par les détecteurs Xénon bi-phase de grande masse (XENON et LUX). Aucun signal n'a pu encore être confirmé dans deux cibles indépendantes, et les programmes expérimentaux d'augmentation de sensibilité se poursuivent

Les équipes françaises qui impulsent le programme EDELWEISS ont développé depuis 2010 une technique de rejet d'événements de surface qui s'est avérée suffisamment puissante pour motiver la construction d'un ensemble de détecteurs ayant une masse fiducielle de plus de 30 kg. Cet ensemble, installé en 2014 au laboratoire souterrain de Modane, devrait atteindre d'ici 2016 la sensibilité des expériences Xénon actuelles. Cette étape permettrait d'envisager un ensemble plus massif, à l'intérieur d'une collaboration européenne plus large (EURECA) et en lien avec le programme américain SuperCDMS.

Un laboratoire français a rejoint la collaboration XENON en 2009. Il a participé aux analyses des données ayant abouti en 2011 et 2012 aux limites les plus sensibles sur les interactions des WIMPs indépendantes du spin. Il a également d'importantes responsabilités quant aux techniques de stockage et de récupération du Xénon pour la prochaine phase de l'expérience XENON-1tonne, qui démarrera ses prises de données au LNGS en 2016. L'objectif est une amélioration de la sensibilité d'un facteur 100, dépassant ainsi de loin les limites publiées par LUX en 2013, et préparant le futur programme DARWIN.

D'autres développements à plus long terme visent à reconstruire la cinématique de l'interaction WIMP-noyau par l'utilisation de TPC, comme le projet MIMAC en France.

E. Cosmologie

Des avancées spectaculaires dans notre compréhension du contenu de l'Univers et de son évolution depuis les tout premiers temps ont été réalisées grâce à la systématisation d'observations précises à très grandes échelles, auxquelles les physiciens français ont contribué de par leur expertise dans les grands projets expérimentaux. Il a été ainsi possible de confirmer qu'une part importante de notre Univers se retrouve sous la forme d'énergie noire et de matière noire dont l'origine reste encore à découvrir.

Différentes sondes cosmologiques sont aujourd'hui exploitées avec une participation importante de l'institut : l'observation du fond diffus cosmologique, l'utilisation des supernovae pour mesurer la vitesse d'expansion de l'Univers, et les relevés à grande échelle des grandes structures.

1. Fond diffus cosmologique

Le satellite Planck, mission de l'ESA, a été lancé en mai 2009 et a observé le fond diffus cosmologique (en température et polarisation) jusqu'en février 2012. Les équipes de l'IN2P3 associées au projet depuis son origine ont ainsi participé à l'émergence de la communauté française travaillant dans le CMB. Elles ont travaillé sur l'instrument de haute fréquence (HFI), avec une contribution instrumentale importante et une très forte implication dans le traitement de données. Les premiers résultats ont été publiés en 2011 et 2013. Les cartes en température du ciel d'une précision inégalée dans 9 bandes de fréquences entre 30 GHz et 857 GHz permettent d'obtenir des contraintes très fortes sur les paramètres du modèle standard de la cosmologie (Lambda-CDM) qui est spectaculairement confirmé, même si de petites anomalies sont observées aux grandes échelles angulaires. Les résultats de Planck sur la mesure de la polarisation du CMB seront publiés à l'automne 2014. S'ils sont très attendus au regard de l'annonce récente de la possible détection du mode B de polarisation à grande échelle angulaire, ils n'en diront pas le dernier mot. Les expériences actuelles et futures de mesure de la polarisation, spatiales ou bien au sol, comme le projet d'interféromètre bolométrique QUBIC, prendront le relais de Planck, pour contraindre les théories d'Univers primordial tels que les modèles d'inflation.

2. Énergie noire

Les supernovae de type Ia sont à ce jour une sonde incontournable pour l'étude de l'énergie noire : la France joue un rôle majeur dans deux programmes, Supernova Factory (SNF) et le SuperNova Legacy Survey (SNLS). La collaboration Supernova Factory, qui a construit et exploite les données du spectrographe intégral de champ SNIFS, travaille à la compréhension fine de l'objet astrophysique supernova et la prise en compte de biais associés dans les études de cosmologie. L'exploitation des données du SNLS au télescope Canada-France-Hawaï a permis entre autres d'obtenir une mesure du paramètre w de l'équation d'état de l'énergie noire à mieux que 6 % incluant les erreurs systématiques.

Les oscillations acoustiques de baryons (BAO), sont aussi exploitées avec succès dans le cadre d'une participation au projet SDSS-BOSS et une implication dans les projets futurs, par exemple en radio.

Le futur télescope grand champ au sol LSST (Large Synoptic Survey Telescope, à l'horizon 2020) permettra d'étudier la matière noire et l'énergie noire dans une approche multi-sonde. La communauté IN2P3 est très impliquée dans la construction du LSST, qui a commencé officiellement en 2014 et dont elle est la seule contributrice hors E.U., ainsi que dans le futur traitement des données à très haute statistique. La France participe aussi à la mission spatiale EUCLID, sélectionnée par l'ESA en 2011 (lancement en 2020), scientifiquement, techniquement – principalement sur les détecteurs infrarouges de l'instrument NISP – et au traitement des données, dont le CC-IN2P3 sera le centre français.