INTERACTIONS, PARTICULES, NOYAUX, DU LABORATOIRE AU COSMOS - CNRS
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03
INTERACTIONS, PARTICULES, NOYAUX,
DU LABORATOIRE AU COSMOS
Président de la section INTRODUCTION
Philippe QUENTIN
Membres de la section La discipline concernée par la section 03
Éric AUBOURG se structure actuellement en quatre grands cou-
Bernard B ORDERIE rants. Les deux premiers sont traditionnelle-
Jean-Claude BRIENT ment associés aux thématiques de la section.
Jean-Marie BROM Le troisième d’émergence plus récente a doré-
Hugues DELAGRANGE navant accédé à une pleine maturité. Le qua-
Emmanuel GANGLER trième à la croisée de plusieurs disciplines
Raphaël GRANIER DE C ASSAGNAC trouve son naturel épanouissement à l’inté-
Jean-François GRIVAZ
rieur, et même au-delà, d’un CNRS trans-disci-
plinaire par construction.
Fazia H ANNACHI
Jean-Christophe IANIGRO La physique du noyau et du nucléon cor-
Lydia ICONOMIDOU -FAYARD respond aux premiers niveaux de résolution
Élyette JEGHAM dans notre vision du monde subatomique.
Sylvie L EES -ROSIER L’enjeu de ces recherches est de comprendre
Dominique PALLIN la structure et la dynamique de tels objets
Konstantin P ROTASSOV composites en termes de leurs constituants
Fanny REJMUND plus élémentaires et de leurs interactions. Un
Philippe SCHWEMLING
accent particulier est mis actuellement sur
l’étude des noyaux atomiques de plus en plus
Mossadek TALBY
lourds placés à la limite de l’instabilité (par
Egle TOMASI-GUSTAFSSON
exemple en isospin : noyaux appelés « exoti-
Michel TRIPON ques »).
La physique des particules et la descrip-
tion des interactions fondamentales se placent
au niveau le plus élémentaire accessible pré-
sentement. Les enjeux actuels de ces recher-
ches consistent d’une part en une tentative
de mettre en évidence le dernier élément du
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RAPPORT DE CONJONCTURE 2006
modèle standard des interactions élémentaires, au sein même de la communauté scientifique.
à savoir le mécanisme qui confère une masse Ceci justifie une politique pro-active de recru-
aux particules, et d’autre part en une explo- tement, de promotion et de formation de per-
ration de la nouvelle physique au-delà du sonnels techniques en nombre et de niveau
modèle standard, par exemple la mise en évi- technique adaptés.
dence d’une symétrie nouvelle appelée super-
Enfin ces recherches, dans chacun des
symétrie.
domaines évoqués plus haut, ne peuvent pros-
La physique de l’univers est abordée au pérer et porter leurs justes fruits au sein de la
travers de l’étude de nombreux phénomènes communauté nationale que si elles se vivent
liés à la physique nucléaire et à la physique des localement en symbiose avec une activité théo-
particules. Ces travaux portent principalement rique qui leur est dédiée phénoménologique-
sur les phénomènes particulièrement violents ment, même si, parfois, ses finalités propres
(hautes énergies, hautes densités) dans l’uni- sont beaucoup plus larges.
vers. Elles ont pour enjeu de contribuer à
construire notre compréhension de l’évolution
cosmologique, notamment en adoptant une
stratégie d’emploi de messagers multiples.
À tout cela on doit ajouter une forte 1 – L’ORGANISATION
implication dans diverses approches interdis- DE LA MATIÈRE
ciplinaires. Les recherches précédemment
évoquées qui forment le cœur de nos discipli-
EN INTERACTION FORTE
nes ont permis de forger des outils ou des
concepts directement utilisables, voire utilisés
déjà, en lien avec d’autres disciplines fonda- La physique nucléaire cherche à com-
mentales ou appliquées. Ceci est le cas dans prendre l’organisation des constituants élé-
les domaines de l’énergie, de l’informatique, mentaires dans les particules ainsi que des
des sciences des matériaux, de la bio-méde- constituants élémentaires et des nucléons
cine pour n’en citer que les principaux. dans les noyaux atomiques et la matière
dense. Elle est une composante essentielle de
Les recherches qui nous intéressent ici, se l’étude des systèmes complexes quantiques. À
caractérisent le plus souvent par une structura- ce titre, elle est riche en phénomènes com-
tion forte entre plusieurs laboratoires. En fait, muns à d’autres disciplines : petits systèmes,
ces laboratoires peuvent être en très grand condensats de Bose superfluides et supracon-
nombre appartenant à de nombreux pays. Il ducteurs, transitions de phases, phénomènes
s’agit donc, souvent, à proprement parler critiques, etc. Cette rencontre se fait souvent
d’une organisation des recherches à l’échelle au niveau conceptuel requérant un effort
mondiale. C’est en particulier, mais pas uni- théorique important qui doit être forte-
quement, le cas pour les expériences auprès ment soutenu.
du LHC (CERN).
Une autre caractéristique est la grande
échelle de déploiement de chaque projet
dans le temps (3 à 15 ans sont des durées cou- 1.1 DES PARTICULES COMPOSÉES
rantes). Ceci implique des engagements fermes DE QUARKS ET DE GLUONS
à moyen ou long terme tant au niveau tech-
nique qu’aux niveaux financier et humain. En
outre, les équipements techniques (par exem- La physique hadronique a pour but la
ple systèmes d’accélération, de détection description de la structure des hadrons en
et d’acquisition de données) sont conçus, termes de quarks et de gluons, constituants
construits et mis en œuvre le plus souvent élémentaires sensibles à l’interaction « forte ».
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03 – INTERACTIONS, PARTICULES, NOYAUX, DU LABORATOIRE AU COSMOS
À l’intersection de la physique nucléaire et de montré qu’une diffusion Compton sur les
la physique des particules, elle étudie principa- quarks a bien lieu, l’extraction des GPD est
lement le nucléon aux courtes distances, dans prévue à la suite des expériences en cours.
la région où la chromodynamique quantique Dans le même esprit il vient d’être montré
ne peut s’appliquer en tant que théorie pertur- que le canal du méson ñ est favorable pour
bative. Des théories effectives basées sur les accéder aux GPD. Dans l’expérience GRAAL
symétries fondamentales et des modèles phé- à l’ESRF de Grenoble de nouvelles réso-
noménologiques se développent et s’affinent. nances nucléoniques ont été mises en
Il faut aussi signaler le formalisme des dis- évidence. L’expérience HADES au GSI en Alle-
tributions de partons (quarks et gluons) magne, relative à l’étude de la modification
généralisées qui permet de comprendre le éventuelle des propriétés des hadrons dans la
nucléon en tant qu’objet dynamique en trois matière, est dans la phase prise de données et
dimensions. Les calculs de Chromodyna- les premières analyses commencent.
mique quantique sur réseau semblent pro-
À moyen et long terme, la communauté
metteurs et des progrès considérables sont
française composée d’une quarantaine de phy-
attendus dans un futur proche. Nous croyons
siciens cherche à se rassembler autour de trois
le nucléon (proton ou neutron) composé
projets : extraction des GPD avec une énergie
essentiellement de trois quarks, mais ceci ne
incidente plus élevée à TJNAF, expérience
suffit pas à expliquer toutes ses propriétés et
COMPASS au CERN sur la mesure du spin du
de nombreux mystères subsistent. Quelle est sa
nucléon (physiciens du CEA exclusivement) et
distribution de charge ? Quelle est l’origine du
enfin l’expérience PANDA prévue auprès du
moment magnétique du nucléon, en particulier
nouvel accélérateur FAIR qui entrera en
celui du neutron ? Des quarks étranges partici-
fonctionnement à partir de 2012 en Allemagne
pent-ils à sa structure ? Quel est le rôle des
et fournira un faisceau d’antiprotons de haute
gluons ? L’environnement des noyaux induit-il
énergie ; le groupe français qui s’est engagé
des modifications de ces propriétés ? Pourquoi
dans un investissement technique bien défini
le nucléon présente-t-il moins de modes
(calorimètre magnétique) souhaite avec cette
d’excitation (résonances) que la théorie n’en
expérience étudier la structure électromagné-
prédit ? Existe-t-il des formes « exotiques » de
tique du proton.
matière hadronique ?
Expérimentalement on utilise des sondes
hadroniques et leptoniques (TJNAF aux USA,
Mami à Mayence) et les observables de polari-
sation sont incontournables. Des particules 1.2 DES NOYAUX COMPOSÉS
sans structure comme les électrons et les pho- DE PARTICULES
tons sont des sondes privilégiées grâce à la
maı̂trise des interactions électrofaibles. Quatre
thèmes mobilisent depuis quelques années les La structure nucléaire a pour objectif de
équipes françaises : mesure du contenu en comprendre l’organisation des nucléons dans
quark étrange du nucléon, étude des distribu- les noyaux. Elle s’oriente vers des configura-
tions de partons généralisées (GPD) reliées à la tions nucléaires extrêmes comme bancs d’es-
problématique du spin du nucléon, problème sais des modèles actuels. De nouveaux champs
des résonances manquantes du nucléon et d’investigation s’ouvrent grâce aux avan-
effet du milieu nucléaire sur les propriétés cées technologiques comme l’avènement des
des mésons (masse, durée de vie). Les prises faisceaux de noyaux radioactifs et le déve-
de données sur l’asymétrie due à la violation de loppement de systèmes de détection inno-
la parité en diffusion élastique électron-proton vants. La complexité du système nucléaire
vont se terminer en 2007 et apporteront des implique une collaboration étroite entre expé-
informations définitives sur le contenu en rience et théorie. Les prédictions théoriques
quark étrange du nucléon. Après avoir incitent les efforts expérimentaux toujours
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RAPPORT DE CONJONCTURE 2006
plus aux frontières des noyaux connus, et en France s’est investie, en parallèle avec le Japon,
retour les nouvelles caractéristiques découver- dans l’étude des caractéristiques du noyau
tes permettent de valider l’ensemble de la com- 7H, isotope le plus lourd d’hydrogène, qui pré-
préhension du noyau. Les noyaux exotiques, sente le plus fort excès de neutrons, en valeur
qui n’existent pas à l’état naturel sur Terre, relative, de tous les noyaux produits en labo-
présentent des cohésions, des propriétés et ratoire.
des formes inattendues. D’une façon générale,
Une équipe française a été pionnière dans
il apparaı̂t aujourd’hui que les propriétés des
noyaux très exotiques s’écartent très for- la découverte d’une nouvelle radioacti-
vité : l’observation de l’émission de deux pro-
tement des extrapolations que l’on pou-
tons par l’état fondamental du noyau 45Fe
vait faire à partir des noyaux stables.
(radioactivité 2 protons). Des études se
Les équipes françaises, composées d’en- poursuivent actuellement en France et en
viron soixante-dix physiciens, se sont dotées Allemagne pour déterminer l’influence de
d’outils très performants combinant faisceaux l’attraction de l’appariement dans cette décrois-
d’ions radioactifs, spectromètres et ensembles sance particulière, par la mesure des corré-
de détection qui leur permettent d’être au plus lations entre les deux protons.
haut niveau de la compétition internatio-
Les états extrêmes en masse et charge des
nale. Elles exploitent les installations fran-
noyaux, les noyaux super-lourds, sont recher-
çaises (GANIL, SPIRAL, ALTO), mais aussi
chés depuis longtemps dans des réactions de
internationales telles qu’ISOLDE au CERN,
fusion. Le GANIL s’est doté d’un système expé-
JYFL à Jyväskylä et LNL à Legnaro pour l’Eu-
rimental de pointe pour leur production. Tou-
rope ainsi que MSU aux USA et RIKEN au
tefois, le temps colossal de faisceau nécessaire
Japon.
à ces études ainsi que la très forte demande sur
L’un des paradigmes de la structure GANIL plaident pour le développement d’une
nucléaire est l’organisation en couches des nouvelle machine de faisceaux stables de
nucléons. Les différentes propriétés de stabilité haute intensité. L’étude de l’existence des
nucléaire correspondent aux fermetures de ces noyaux super-lourds se fait aujourd’hui par
couches et sont associées à des nombres magi- l’intermédiaire de l’étude des mécanismes de
ques de nucléons. Pour les noyaux loin de la réactions et de la structure des trans-fermiums,
stabilité, cette organisation semble migrer vers au GANIL, à Dubna en Russie ou à Jyväskylä en
de nouveaux nombres magiques associés à des Finlande, afin de déterminer le rôle des états de
fermetures de nouvelles couches. On peut citer particules individuelles dans la stabilisation de
par exemple la controverse relative aux résul- ces noyaux. La France est impliquée dans une
tats publiés par des équipes américaines et réflexion autour d’un futur projet de construc-
françaises sur l’existence d’une fermeture de tion d’un accélérateur de faisceaux stables de
couche à N = 28 lorsqu’elle est associée à un haute intensité qui sera également dédié à
fort déséquilibre entre le nombre de protons d’autres sujets de recherche, comme notam-
et de neutrons au sein du noyau, comme dans ment l’étude des états hyper-déformés du
le 42Si. noyau et autres déformations exotiques.
Les états extrêmes de déformation à haut
Grâce aux faisceaux de SPIRAL1, les états
moment angulaire permettent d’étudier les
quasi-moléculaires du noyau et les propriétés limites de la cohésion portée par les inter-
des noyaux entourés d’un halo de neutrons
actions individuelles vis-à-vis des perturbations
peuvent être étudiés. Ces travaux ont aussi
collectives.
conduit à discuter l’existence du tétra-neutron,
qui aujourd’hui ne semble pas pouvoir exister L’accélérateur ALTO fournit ses tout pre-
dans un état lié ; la question de son existence miers faisceaux de noyaux exotiques lourds
sous forme d’état résonant est toujours posée. riches en neutrons. L’accord donné récem-
Dans le futur, d’autres systèmes multi-neutrons ment pour la construction de SPIRAL2 per-
plus lourds seront investigués. D’ores et déjà, la mettra d’élargir, à partir de 2012, le champ
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03 – INTERACTIONS, PARTICULES, NOYAUX, DU LABORATOIRE AU COSMOS
d’investigation actuel en fournissant des fais- ture, énergie, pression, densité, composition chi-
ceaux exotiques de haute intensité et sur une mique, etc.) de la matière nucléaire devrait
gamme d’énergie qui permettra d’accéder à des présenter deux transitions de phases :
réactions secondaires. Un énorme effort de
R&D est actuellement fourni par l’ensemble – à basse température, environ 100 milliards
des laboratoires français pour la construction de degrés, la transition entre les noyaux décrits
de SPIRAL2. Des progrès spectaculaires sont comme des gouttes liquides et un gaz de parti-
attendus grâce au développement d’un nou- cules ;
veau détecteur européen de photons, AGATA. – à haute température (2 000 milliards de
Ses caractéristiques procurent un pouvoir de degrés) la libération des quarks et la création
résolution qui permettra d’étudier des struc- d’un plasma de quarks et de gluons.
tures très rares, en particulier pour la caracté-
risation des noyaux super-lourds et hyper- Les collisions d’ions lourds permettent de
déformés, ou lors des réactions avec les ions porter, de façon transitoire, la matière aux
exotiques. La communauté française a pris hautes densités d’énergie a priori nécessaires
une part très active dans la R&D d’AGATA, et pour permettre l’apparition de telles transitions
accueillera le démonstrateur en 2009. de phase.
La physique nucléaire intervient aussi La première de ces transitions est étudiée
dans des thématiques comme l’astrophysique en France auprès du GANIL et auprès d’autres
ou les interactions fondamentales, sujets accélérateurs dans le monde (USA, Allemagne,
décrits dans d’autres paragraphes. Italie et Chine). Après l’étude de propriétés
À l’horizon 2011-2012 la communauté des nouvelles comme l’existence de capacités calo-
physiciens nucléaires européens disposera de rifiques négatives et des indications sur la
deux accélérateurs SPIRAL2 et FAIR. Ces deux dynamique de la transition de phase, la com-
machines sont complémentaires par leurs munauté française continue de jouer un rôle
caractéristiques et leurs productions de fais- leader au plan mondial avec la mise en évi-
ceaux exotiques. À plus long terme la construc- dence du comportement bimodal d’un
tion d’un accélérateur européen de seconde paramètre d’ordre dans la transition de
génération est envisagée, EURISOL, qui phases d’un système fini et l’observation
comme SPIRAL2 serait une machine à fais- corrélée des différents signaux de transition
ceaux exotiques ré-accélérés sur une plus mis en évidence. Par delà une métrologie du
large gamme d’énergie. La France devrait diagramme de phase de la matière dense ces
pouvoir jouer un rôle clef dans cette pers- recherches font évoluer notre compréhension
pective en s’appuyant sur les acquis de des changements d’état en général. Le futur de
SPIRAL2. ces recherches passe tout d’abord par un pro-
grès expérimental visant à construire des
détecteurs à grande couverture angulaire plus
performants au niveau des identifications en
numéro et masse atomiques ; la France et
1.3 U NE MATIÈRE DENSE l’Italie font un effort particulièrement impor-
À HAUTE TEMPÉRATURE tant dans ce sens dans le cadre du projet
FAZIA. Dans le même temps l’avènement de
faisceaux de noyaux exotiques suffisamment
Les propriétés macroscopiques (thermi- intenses (SPIRAL1 puis SPIRAL2) à Caen et
ques, chimiques et mécaniques) de la matière FAIR en Allemagne permet et permettra d’étu-
nucléaire dense, comme elle a pu être produite dier les propriétés « chimiques » de la
lors du Big-Bang ou comme elle existe aujour- matière c’est-à-dire l’influence d’une variation
d’hui dans les supernovae et les étoiles à neu- relative de neutrons et de protons. Cette thé-
trons, peuvent être décrites dans le cadre de la matique mobilise une communauté française
thermodynamique. L’équation d’état (tempéra- d’une vingtaine de physiciens.
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RAPPORT DE CONJONCTURE 2006
La seconde transition est étudiée grâce de par ses contributions importantes aux
aux collisions noyau-noyau auprès de colli- niveaux détection et traitement des données.
sionneurs de très haute énergie. Le
Un aspect important de cette physique est
plasma de quarks et de gluons est un état de
que les transitions de phases sont étudiées
la matière où les quarks seraient déconfinés,
dans des collisions, c’est-à-dire dans des phé-
qui pourrait avoir existé dans l’univers pri-
nomènes hors équilibre concernant des petits
mordial. Les équipes françaises, issues des systèmes. Les concepts permettant de décrire
deux communautés de physique nucléaire et sans ambiguı̈té les mécanismes font l’objet de
de physique des particules, ont eu un rôle développements théoriques actuels transposa-
majeur dans l’observation au CERN de pre- bles dans d’autres domaines de la physique des
miers indices (parmi ceux-ci la suppression petits systèmes. Ils donneront aussi accès aux
d’un méson par effet d’écrantage) qu’un propriétés dynamiques de la matière dense
nouvel état de la matière avait été produit. (transport, friction, etc.) qui sont toujours acti-
Cette suppression a été confirmée, à plus vement recherchées.
haute énergie, au RHIC de Brookhaven ; un
nouvel éclairage a également été apporté par
l’observation originale de l’inhibition des « jets »
au sein du milieu formé. L’ensemble des résul-
tats (expériences BRAHMS, STAR et PHENIX) 1.4 QUELQUES REMARQUES
indique la production d’un état inattendu, EN CONCLUSION
un liquide de partons (quarks et gluons)
en interaction, différent du plasma prédit et
recherché (gaz parfait de quarks et gluons). Les La Physique Nucléaire est le thème
énergies plus élevées mises en jeu dans les majeur pour environ un tiers des 20 laboratoires
collisions au LHC avec l’expérience ALICE, de l’IN2P3. Ses grands projets mobilisent de
qui débutera en 2008, permettront d’étendre nombreuses ressources humaines et finan-
le domaine d’étude des propriétés à des den- cières. C’est aussi un tournant dans les métho-
sités d’énergie extrêmes avec l’espoir de pro- des de travail et la distribution des tâches au
duire un gaz quasi parfait de quarks et de sein des laboratoires. De nouveaux besoins en
gluons. L’objectif est aussi de comprendre le ressources humaines se font sentir afin de pou-
confinement des quarks et donc d’observer voir investir un nombre suffisant de personnel
la transition de phase plasma de quarks dans le développement tout en poursuivant les
et de gluons – matière hadronique. L’appa- recherches actuelles. Après une période d’in-
rition de la notion de « condensat de verre de vestissement expérimental les équipes fran-
couleur » au RHIC indique que ces recherches çaises de physique hadronique devraient
concernent aussi les distributions initiales de contribuer rapidement à éclaircir certains
partons, en particulier dans les noyaux. Ces secrets du nucléon. Le nouvel accélérateur
travaux conduisent à relever de nombreux FAIR en Allemagne et TJNAF avec des énergies
défis, techniques par la complexité des réac- plus élevées aux États-Unis sont les deux pôles
tions produisant jusqu’à plusieurs milliers de auprès desquels se regrouperont les activités.
particules dont il faut mesurer les caractéristi- L’étude de noyaux de plus en plus exotiques a
ques simultanément, et théoriques par la diver- apporté des résultats surprenants liés à des
sité et l’addition des processus mis en jeu parmi changements de magicité qu’il convient de
lesquels il faut trouver des signatures aussi fia- confirmer. Une nouvelle radioactivité a été
bles que possible. Après une participation découverte. La quête des états extrêmes en
significative (une quinzaine de physiciens) masse et charge des noyaux se poursuit. Les
aux expériences menées à RHIC, une majeure études avec les faisceaux radioactifs et de nou-
partie de la communauté française se ras- veaux multidétecteurs comme AGATA sont la
semble maintenant sur ALICE (une quaran- voie d’avenir. Le projet SPIRAL2 qui démarre
taine de physiciens) avec une bonne visibilité au GANIL place la France dans une position
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03 – INTERACTIONS, PARTICULES, NOYAUX, DU LABORATOIRE AU COSMOS
favorable dans la perspective d’EURISOL. Les et théoriques donnant à penser qu’il ne s’agit
équipes françaises continuent de jouer un rôle que d’une théorie effective, approximation à
moteur pour les études de transition de phases basse énergie d’une théorie à très haute éner-
de la matière nucléaire et la participation aux gie (de l’ordre de 1016 GeV) plus fondamen-
futures expériences auprès du LHC avec ALICE tale. Les théories au-delà du Modèle Standard
constitue désormais un des axes forts du pro- ne manquent pas. Elles incorporent par exem-
gramme de physique nucléaire. ple l’existence hypothétique de dimensions
supplémentaires, ou des mécanismes d’unifica-
tion de la gravitation avec les autres inter-
actions, ou des symétries nouvelles dans le
cas des théories supersymétriques. Ces théo-
ries prédisent l’observation d’un bestiaire de
2 – LE MODÈLE STANDARD particules nouvelles et de déviations subtiles
ET AU-DELÀ dans les mesures de certaines observables par
rapport aux prédictions du Modèle Standard.
Les tests du Modèle Standard se prolon-
La physique des particules s’attache à gent actuellement par certaines des mesures
l’étude des interactions entre constituants fon- menées auprès du TeVatron (Fermilab, USA),
damentaux de la matière, à la compréhension et de HERA (DESY, Allemagne).
de l’origine de la masse, et enfin aux symétries
d’espace et de temps, l’aspect le plus fascinant Le dernier ingrédient du Modèle Standard
étant que dans certains cas, ces symétries ne n’ayant à l’heure actuelle pas reçu de confirma-
sont pas parfaites. La physique des particules tion expérimentale est le mécanisme donnant
tisse des liens entre l’observation au niveau leur masse aux particules élémentaires, par
microscopique et la compréhension des gran- l’intermédiaire d’une brisure spontanée de la
des structures de l’Univers, en recherchant des symétrie électro-faible. Il devrait se traduire
particules susceptibles de constituer la matière par l’existence d’un ou plusieurs bosons de
noire. Higgs, scalaires, dont les signatures expérimen-
tales sont actuellement activement recherchées
Construit d’un point de vue théorique dans auprès du TeVatron, et constitueront un thème
les décennies 1960 et 1970, le Modèle Standard phare des recherches qui seront menées
est une théorie quantique des champs, traitant auprès du LHC à partir de 2008. L’énergie de
dans un cadre formel unifié trois des quatre 14 TeV et la forte luminosité du LHC, jamais
interactions fondamentales. Les particules atteintes auparavant, devraient apporter sur la
élémentaires composant la matière sont au question de l’origine de la masse un éclairage
nombre de vingt-quatre (douze particules crucial et nouveau, et donnent bon espoir
et douze antiparticules), regroupées en trois d’observer de nouvelles particules et des phé-
familles. nomènes nouveaux, confirmant ainsi le carac-
tère de théorie effective à basse énergie du
Depuis sa conception, le Modèle Stan- Modèle Standard.
dard a été testé de manière approfondie, tout
particulièrement au cours de la dernière décen- D’un point de vue expérimental, l’évolu-
nie. Celle-ci a vu les expériences menées tion de la physique des particules ces dernières
auprès du LEP (CERN, Genève) en vérifier la années se caractérise par des dispositifs expé-
cohérence interne et mesurer ses paramètres rimentaux moins nombreux, mais plus com-
avec une très grande précision, en tout cas plexes, rassemblant un nombre croissant de
pour ce qui concerne les couplages de la physiciens et d’ingénieurs. Avant leur construc-
matière aux bosons intermédiaires W et Z. tion, les détecteurs font l’objet de recherches et
Toutes les confirmations expérimentales du développements mettant en œuvre des techni-
Modèle Standard ne peuvent occulter le fait ques de pointe en électronique, informatique
qu’il possède plusieurs faiblesses esthétiques et sur les matériaux utilisés. Entre les premières
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RAPPORT DE CONJONCTURE 2006
idées et la période de prise de données, une La luminosité de 1033cm-2s-1, qui serait
période d’une dizaine d’années devient ainsi atteinte fin 2008, permettra d’accumuler 10 fb-1
nécessaire. par année de prise de données, et devrait
donner accès aux premières découvertes
auprès du LHC : en effet, la statistique dispo-
nible élevée des canaux du Modèle Standard
2.1 L A PHYSIQUE AU LHC permettra d’une part d’atteindre la calibra-
tion nominale des détecteurs et d’autre part,
contraindra les bruits de fond afin d’optimiser
La mise en service du LHC, couronnant les critères des analyses destinées à l’identifica-
quinze ans de recherche et développement et tion de nouveaux phénomènes. Une année de
de production de détecteurs, auxquelles les prise de données à cette luminosité signalera de
équipes de l’IN2P3 auront largement participé, façon convaincante la présence éventuelle du
devrait indiquer la direction dans laquelle il boson de Higgs tel qu’il est prédit par le
nous faudra faire évoluer nos théories. Modèle Standard. Avec la même quantité de
données, les premières signatures de la Super-
Deux expériences auprès du LHC s’orien- symétrie, théorie permettant de combler les
tent principalement vers la mise en évidence imperfections théoriques du Modèle Standard,
du boson de Higgs et la recherche de nouvelle pourraient aisément être identifiées.
physique. Près de 200 physiciens et ingénieurs
de l’IN2P3 participent depuis 1991 à ces deux L’amélioration progressive des perfor-
expériences, ATLAS et CMS. mances de l’accélérateur en termes de lumino-
Au cours des quatre prochaines années, sité instantanée (le niveau « nominal » de
les activités des physiciens auprès du LHC pas- 1034cm-2s-1, soit 100 fb-1 par an, est attendu
seront successivement par différentes phases : début 2010) et de stabilité, donnera accès à
des études de plus grande précision ainsi
Le début de la mise en service de la qu’à un domaine plus vaste de recherches
machine, avec accélération des faisceaux concernant la nouvelle physique.
de protons jusqu’à 7 TeV, est prévu pour le
printemps 2008. La première période sera Après une période de prise de donnée
consacrée – au-delà de l’optimisation de l’accé- à haute luminosité, il sera possible d’améliorer
lérateur – à la compréhension des détecteurs la précision des tests du Modèle Standard
des expériences. Tenant compte de la comple- et d’étendre de 20 % à 30 % le domaine de
xité des systèmes mis en jeu, ceci représente découverte possible de nouvelles particules,
une tâche gigantesque pour les physiciens et si besoin est, en augmentant encore d’un fac-
constitue en même temps une étape détermi- teur dix la luminosité du LHC. Le CERN prévoit
nante pour la qualité des résultats futurs au cette évolution à l’horizon 2012. L’exploitation
LHC. En parallèle avec l’alignement et l’étalon- d’une telle luminosité demandera des amélio-
nage des appareillages, les caractéristiques des rations sur les détecteurs, en particulier sur la
collisions enregistrées pour la première fois au rapidité de l’électronique de lecture, mais aussi
monde à cette énergie seront scrutées afin de sur la structure même des détecteurs, notam-
parfaire les simulations. À partir d’une lumino- ment pour ceux identifiant les traces chargées.
sité instantanée de 1030cm-2s-1, permettant d’ac- Compte tenu de la complexité de la tâche et
cumuler rapidement de l’ordre de 100 pb-1, la des délais de construction, une mise en place
physique « classique » des bosons W et Z com- des détecteurs modifiés vers 2012 demande de
mencera à enrichir le lot d’événements conte- commencer dès maintenant un programme de
nant des muons, des électrons et des jets de recherche et développement intense, ce qui
particules. Les physiciens s’en serviront pour permettra par ailleurs de ne pas perdre l’acquis
établir les différentes échelles d’énergie (visible technique de ces dernières années. Par ailleurs,
et manquante) et pour étudier l’uniformité des toute amélioration des détecteurs sera bien évi-
réponses des détecteurs. demment guidée par les découvertes effec-
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03 – INTERACTIONS, PARTICULES, NOYAUX, DU LABORATOIRE AU COSMOS
tuées dans les premières années de fonction- envisageables du Modèle Standard. La validité
nement, et il importe de se préparer d’ores et de la chromodynamique quantique sera testée
déjà aux diverses options et de se familiariser dans un domaine d’énergie encore inexploré,
avec les technologies les plus récentes. La et fournira des informations sur la structure
recherche et développement autour des amé- interne du proton qui auront un impact impor-
liorations des détecteurs du LHC est appelée à tant sur les prédictions pour le LHC. Les mesu-
monter en puissance dans les quatre pro- res de précision prédisent un domaine de
chaines années. masse pour le boson de Higgs du Modèle Stan-
dard qui devrait pouvoir être intégralement
exploré par le TeVatron, soit en termes d’ex-
clusion, soit par une mise en évidence, selon la
luminosité intégrée effectivement accumulée.
2.2 L A PHYSIQUE AU T EVATRON La récente mise en évidence auprès du TeVa-
ET À DESY tron de la production électrofaible du quark
top, laquelle est un bruit de fond irréductible
à la mise en évidence du boson de Higgs, est
En parallèle avec la mise en route du LHC, une étape importante de la recherche de cette
le programme de physique du TeVatron attein- particule. Enfin, toute manifestation de nou-
dra son apogée. La compétition sera intense velle physique au-delà du Modèle Standard
entre les deux machines pour les premières est et sera activement recherchée, comme il
observations du boson de Higgs, entre une est naturel auprès de l’accélérateur fournissant
machine ayant accumulé des données depuis la plus haute énergie disponible à ce jour, qu’il
de longues années, mais limitée par sa lumino- s’agisse par exemple de particules supersymé-
sité et une énergie de 1,96 TeV, et une machine triques, de nouveaux bosons de jauge, ou de
à la luminosité et à l’énergie inégalées, mais récurrences prévues dans les théories à dimen-
commençant tout juste à délivrer des données, sions supplémentaires.
avec donc une phase d’optimisation pouvant
Le collisionneur HERA de DESY à Ham-
durer un certain temps.
bourg qui mettait en collision des électrons de
Jusqu’à la mise en service du LHC, le 27,5 GeV contre des protons de 920 GeV vient
TeVatron sera donc le collisionneur le plus tout juste d’être arrêté, depuis fin juin 2007. Les
puissant au monde et, à l’horizon 2009, une prochaines années seront consacrées à l’ana-
luminosité intégrée de 4 à 8 fb-1 devrait être lyse des données. Au total, lors de sa deuxième
accumulée. L’IN2P3 et le CEA-DAPNIA contri- phase de fonctionnement, HERA II, qui a
buent de manière importante à l’expérience débuté en 2004, ce collisionneur a délivré à
DØ (environ cinquante physiciens actifs), et à ce jour 10 fois plus de luminosité intégrée
un moindre degré à l’expérience CDF. Le que celle accumulée pendant la première
champ de recherche au TeVatron comprend phase de son fonctionnement. L’état initial par-
la détermination précise de paramètres fonda- ticulier – électrons-protons – du collisionneur
mentaux du Modèle Standard tels que la masse HERA lui permet des mesures originales et
du boson W et celle du quark top ; celles-ci complémentaires des études menées auprès
permettront d’affiner les contraintes sur la des autres collisionneurs. Parmi les principaux
masse du boson de Higgs du Modèle Standard, objectifs de physique de HERA II, à laquelle
ou de vérifier la cohérence de ce modèle une participent, auprès de l’expérience H1, 3 labo-
fois cette masse mesurée. Dans le domaine de ratoires de l’IN2P3 et le CEA-DAPNIA, l’utilisa-
la matrice de masse des quarks, l’étude du tion de faisceaux d’électrons et de positrons
boson Bs, qui n’est actuellement possible polarisés améliore la connaissance de la struc-
qu’auprès du TeVatron, a déjà permis d’en ture du proton, information qui sera indispen-
mesurer la fréquence d’oscillation avec son sable à la compréhension des données des
antiparticule ; une meilleure précision fournira expériences ATLAS et CMS au LHC. HERA est
des contraintes significatives sur les extensions aussi à la recherche d’une nouvelle physique
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RAPPORT DE CONJONCTURE 2006
et teste les théories au-delà du Modèle Stan- chements et étudier en détail la physique nou-
dard par l’intermédiaire de la mesure de pro- velle mise en évidence au LHC, en tirant profit
duction d’événements avec lepton isolé et d’un état initial plus simple et de bruits de fond
impulsion transverse manquante, la mesure plus faciles à rejeter que dans le cas d’un colli-
de production d’événements multi-électrons à sionneur hadronique. Le programme de phy-
grande impulsion transverse et la recherche de sique de l’ILC comprend aussi l’étude détaillée
lepto-quarks et de fermions excités. Enfin, une de la brisure de la symétrie électrofaible (boson
prise de données avec une énergie du faisceau de Higgs) et de la physique du quark top, des
de protons à basse énergie (460 GeV et mesures de précision sur les bosons W et Z
575 GeV) permet de mesurer la composante ainsi qu’une ouverture vers l’au-delà du
longitudinale de la fonction de structure du modèle standard.
proton et ainsi d’avoir une meilleure connais-
sance du contenu du proton en gluons. L’énergie des collisions dans l’ILC étant
ajustable, cela donnera une grande flexibilité
à son programme de physique, qui pourra se
dérouler en partie en parallèle avec celui du
LHC. Avec un rapport signal/bruit plus favo-
2.3 L E PROJET INTERNATIONAL rable, une énergie dans le centre de masse
DE COLLISIONNEUR LINÉAIRE ajustable et la possibilité de polariser les fais-
ceaux, l’ILC devrait être capable de répondre à
bon nombre des questions que les découvertes
Pour le plus long terme, quand le LHC du LHC vont soulever, allant de la découverte
aura produit ses premiers résultats et donné de particules susceptibles de composer la
éventuellement des indications sur la physique matière noire jusqu’à l’existence de dimensions
nouvelle, les physiciens de particules se sont supplémentaires. La précision des mesures
rassemblés autour de la nécessité de cons- permettra par ailleurs de contraindre fortement
truction d’un collisionneur linéaire électron- les modèles théoriques et devrait ainsi permet-
positron, l’ILC dont l’énergie peut varier du pic tre de lever les ambiguı̈tés possibles.
du Z (90 GeV) jusqu’au TeV. Un projet actuel-
Pour l’étude de l’ILC en collaboration
lement en phase de recherche et développe-
mondiale, une équipe dite GDE (Global
ment, le CLIC, pourrait permettre d’étendre le
Design Effort) a été mise en place par l’ICFA
domaine d’énergie de collision au-delà du TeV.
(« International Committee For Future Accele-
Un collisionneur linéaire est constitué de deux
rator »), pour organiser et diriger le travail sur
accélérateurs d’environ 20 km de long chacun
l’accélérateur. Ce travail doit conduire à un
se faisant face. La technologie retenue pour les
document technique détaillé, y compris sur
cavités accélératrices de l’ILC est la technologie
les aspects financier et industriel en 2010
supraconductrice dont les progrès ont été très
pour une première phase correspondant à
importants récemment. Celle du CLIC est basée
des collisions de 500 GeV. Ce document servira
sur une nouvelle méthode d’accélération à deux
de référence pour les discussions entres les
faisceaux dont la faisabilité est en cours d’étude
éventuels partenaires. Compte tenu de la spé-
avec la construction d’une station de test, CTF3
cificité de la physique sur cette machine, étude
dont les résultats sont attendus pour 2010. Une
de précision d’événements multi-bosoniques,
cinquantaine d’ingénieurs de l’IN2P3 et du CEA-
le cahier des charges des détecteurs est très
DAPNIA se sont impliqués dans les développe-
particulier et nécessite un important pro-
ments nécessaires à l’ILC, en collaboration avec
gramme de R&D. Celui-ci est déjà bien
des industriels. L’IN2P3 est également présent
développé, incluant des tests de prototypes
dans les études sur les techniques novatrices
en faisceaux. Une vingtaine de physiciens,
d’accélération telles que CLIC.
accompagnés d’une soixantaine d’ingénieurs
Ces machines pourront pousser les tests et techniciens de l’IN2P3 se sont impliqués
du Modèle Standard dans leurs derniers retran- dans cet axe de recherche.
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03 – INTERACTIONS, PARTICULES, NOYAUX, DU LABORATOIRE AU COSMOS
Plusieurs programmes européens de plu- symétrie CP dans le système des mésons B.
sieurs dizaines de millions d’euros, au sein des- En 2001 ces deux expériences ont mesuré
quels les physiciens de l’IN2P3 sont moteurs pour la première fois un effet de violation de
ont été approuvés et mis en place. Ces pro- CP dans les désintégrations du méson Bd. Cette
grammes portent sur l’accélérateur (CARE, mesure, qui a atteint actuellement une préci-
EUROTEV), ainsi que sur les détecteurs sion de l’ordre de 5 %, a été confirmée dans
(EUDET). plusieurs autres canaux de désintégrations.
Les différentes mesures réalisées par les expé-
L’ensemble de ces recherches couvre au
riences BaBar et Belle ont permis de tester et de
moins une décennie et mobilisera une fraction
valider la description du phénomène de viola-
importante de la communauté scientifique de
tion de CP dans le Modèle Standard avec une
notre discipline. Les données accumulées per-
bonne précision à travers la mesure des angles
mettront de nombreux progrès en parallèle avec
et des cotés du triangle dit d’unitarité qui tra-
les objectifs phares mentionnés ci-dessus :
duit graphiquement l’une des relations d’unita-
compréhension des désintégration des quarks
rité de la matrice décrivant les relations entre
lourds, phénoménologie de l’interaction forte,
états propres de masse et états propres d’inte-
etc.
raction, appelée matrice CKM. Ces mesures, de
plus en plus précises, ont permis d’autre part
de tester et de contraindre des modèles prédi-
sant l’existence d’une nouvelle physique par la
2.4 LA BRISURE recherche de signes indirects de la présence de
DE LA SYMÉTRIE CP processus au-delà du Modèle Standard. Les
expériences BaBar et Belle devront continuer
leurs moissons de données pour disposer cha-
La brisure des symétries discrètes par l’in- cune à l’horizon 2008 d’un échantillon de 1 mil-
teraction faible est un champ de recherches liard de paires de mésons B-antiB jamais atteint
fécond depuis un demi-siècle. Après la mise à ce jour. Cette grande statistique permettra
en évidence de la violation de la parité au une précision accrue des mesures déjà réali-
milieu des années 1950, il s’est bientôt avéré sées et améliorera aussi les contraintes sur les
que la conjugaison de charge était également manifestations hypothétiques d’une nouvelle
violée. L’ensemble de notre compréhension de physique.
la nature étant basé sur l’existence de lois de
conservation, il était naturel de supposer que le
À partir de 2008 une nouvelle expérience
produit CP était conservé. En 1964 est interve-
dédiée à l’étude de la violation de CP dans le
nue la preuve expérimentale que CP n’était pas
système des mésons B sera mise en route
conservé. Dans la mesure où CP connecte les
auprès du LHC. Il s’agit de l’expérience LHCb,
particules de matière et d’antimatière, une telle
à laquelle prennent part plusieurs laboratoires
observation est fondamentale pour la compré-
de l’IN2P3. Le programme de physique de cette
hension de la prédominance de la matière sur
expérience consiste à poursuivre l’étude de la
l’antimatière dans l’Univers actuel. La violation
violation de CP dans les désintégrations des
de CP dans le cadre du Modèle Standard est
mésons Bd mais aussi de prolonger cette
prise en compte par l’introduction d’une
étude dans celles des mésons Bs inaccessibles
matrice de mélange reliant les états de saveur
aux expériences BaBar et Belle. L’objectif étant
aux états de masse.
de mesurer complètement et avec la plus
Actuellement deux expériences, BaBar, à grande précision les paramètres sources de la
laquelle participe un important groupe français violation de CP dans la matrice CKM et d’ap-
de l’IN2P3 et du CEA-DAPNIA, et Belle, instal- porter aussi, grâce à des mesures de précision,
lées sur des anneaux de stockage e+e- asymé- de nouvelles contraintes sur la présence ou pas
triques respectivement à SLAC en Californie et d’une nouvelle physique au-delà du Modèle
à KEK au Japon, étudient la violation de la Standard.
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RAPPORT DE CONJONCTURE 2006
2.5 P HYSIQUE DU NEUTRINO sur accélérateur les phénomènes observés avec
les neutrinos atmosphériques et améliorer d’un
facteur 2-3 la sensibilité sur l’angle Q13. Mais
c’est surtout avec les expériences de la généra-
Les oscillations entre différents types de
tion suivante, Double-CHOOZ (dans les
neutrinos ainsi que leur masse non nulle sont
Ardennes françaises) et T2K (au Japon), que
maintenant des faits expérimentaux établis au
la meilleure sensibilité sera atteinte. Les grou-
cours des dix dernières années par les expé-
pes français sont bien implantés dans les colla-
riences sur les neutrinos solaires et les neutri-
borations mondiales qui construisent ces
nos atmosphériques. Le panorama des
nouveaux détecteurs. Si Q13 n’est pas trop
neutrinos est cependant loin d’être complet
petit, l’accès à la violation de CP se fera avec
aujourd’hui et les questions ouvertes qui s’y
des accélérateurs d’un type nouveau (béta-
rapportent sont fondamentales non seulement
beams ou usines à neutrinos) aux développe-
pour la physique des particules mais aussi pour
ments desquels des R&D sont d’ores et déjà
l’astrophysique et la cosmologie.
consacrées dans un cadre européen.
Le neutrino est-il sa propre anti-particule ?
En plus d’être un formidable objet d’étude,
Cette question ne peut être tranchée que par
le neutrino est également un messager nouveau
l’observation expérimentale d’un phénomène
et précieux pour l’astrophysique. Son rôle est
de double désintégration béta sans neutrino.
mis en avant dans le chapitre suivant.
L’expérience NEMO3, à dominante française
et installée dans le Laboratoire souterrain de
Modane, tente de répondre à cette question.
En prise de données depuis un peu plus
d’une année, elle atteindra sa sensibilité nomi- 2.6 A CTIVITÉS TECHNIQUES
nale après encore environ 3 années. Si rien ASSOCIÉES
n’est observé il faudra se préparer à un gain
d’un ordre de grandeur en sensibilité, à la fois
en augmentant considérablement la masse de L’activité technique dans nos laboratoires
matériau source et en réduisant drastiquement vit au rythme des grands projets de machines et
les bruits de fond. Plusieurs techniques sont de détecteurs. L’achèvement des constructions
en concurrence et les groupes français se sont liées au LHC va engendrer des renouvel-
déjà engagés dans l’exploration des limites lements d’activité importants. Les années à
de la technique « tracking-calorimètre » avec le venir devraient donc voir un effort de forma-
projet Super-NEMO. Une alternative à l’aide de tion important afin de permettre à nos équipes
bolomètres (MAJORANA) est explorée aux une participation de premier plan aux R&D des
USA. futurs collisionneurs et de l’instrumentation
associée.
Y a-t-il violation de la symétrie CP dans le
secteur des neutrinos et est-elle responsable de Il importe donc que chaque laboratoire
l’asymétrie matière-antimatière dans l’univers ? définisse au plus tôt ses besoins en fonction
La connaissance encore trop partielle du pano- de sa propre prospective. Il faut aussi réfléchir
rama des oscillations de neutrinos ne permet à l’évolution des carrières de nos agents dans
pas de répondre à cette question. En particulier un contexte de travail de plus en plus interna-
la grandeur de l’angle H13 non encore mesuré tional et inter-organismes, afin qu’ils ne souf-
dans les oscillations, conditionne notre capa- frent pas de positions d’infériorité par rapport
cité à observer expérimentalement une éven- aux membres d’autres organismes avec les-
tuelle violation de CP. Plusieurs expériences quels ils devront travailler. Ce dernier point
sont donc en cours ou en construction est particulièrement critique pour maintenir
pour mesurer cet angle. MINOS (aux USA) et une adéquation entre compétences, niveau
OPERA (en Italie, avec une forte participation d’emploi et responsabilités d’encadrement
française) vont dans un premier temps préciser dans une grande collaboration.
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03 – INTERACTIONS, PARTICULES, NOYAUX, DU LABORATOIRE AU COSMOS
3 – PHYSIQUE DES vaillant sur les grands détecteurs de physique
des particules. Les détecteurs de nombreuses
ASTROPARTICULES expériences sont souvent les mêmes que ceux
ET COSMOLOGIE d’expériences sur accélérateurs (calorimètres,
photodétection, détecteurs de traces, identifi-
cation des particules, etc.) et les outils sont par-
3.1 I NTRODUCTION tagés (simulation d’interactions, électronique
rapide, méthodes d’analyse et de calculs, etc.).
Le domaine à l’interface entre physique
des hautes énergies et astrophysique, commu-
nément appelé « astroparticules », s’est forte- 3.2 LES GRANDES QUESTIONS
ment développé durant les dix dernières
années. Le CNRS en a fait une de ses priorités
scientifiques : un programme interdisciplinaire Le domaine des astroparticules souhaite
a été mis en place et une commission interdis- répondre à un certain nombre de questions,
ciplinaire dédiée a été créée et renouvelée une dont le nombre et la diversité expliquent l’at-
fois (son mandat se terminera en 2008). trait qu’il provoque. On cite ici celles qui
concernent plus la section 03 :
Les grands domaines couverts par cette
spécialité sont : – matière noire : quelle est la nature de la
matière sombre non-baryonique ? ;
– l’étude des sources extrêmes dans l’Uni-
vers, produisant des particules de très haute – énergie noire : Faut-il modifier la gravita-
énergie ; tion ou introduire de l’énergie noire pour
expliquer l’accélération de l’Univers ? Quelle
– l’étude des interactions fondamentales,
est sa nature et son lien avec l’énergie du
grâce aux très hautes énergies et densités qui
vide de la théorie quantique des champs ? ;
sont atteintes dans l’Univers ;
– asymétrie matière-antimatière : le modèle
– l’étude de l’évolution de l’Univers, depuis
standard de la physique des particules ne peut
la singularité initiale (Big Bang) jusqu’au temps
l’expliquer. Quelle est son origine ? ;
présent.
– nouvelle physique : supersymétrie, gra-
De nombreux autres thèmes viennent
vité quantique, dimensions supplémentaires
s’associer à ces domaines fondamentaux, par
(quel est le nombre exact de dimensions spa-
exemple : les tests des lois fondamentales (gra-
tiales de l’Univers ?) ;
vité, physique transplanckienne), l’astro-
physique nucléaire, etc. Rappelons que la – particules à très haute énergie : Quels sont
détermination des sections efficaces les sites d’accélération galactiques et extraga-
nucléaires est essentielle pour des avan- lactiques ainsi que les processus d’accélération
cées en astrophysique, astro-particules et et de propagation ? Quelle est la composition
cosmologie. de ces rayons cosmiques ? Leur spectre en
énergie donne-t-il des indices d’une nouvelle
La physique des astroparticules est donc
physique ? ;
un espace de rencontres entre de nombreuses
disciplines de physique (physique nucléaire, – astrophysique nucléaire : quels sont les
physique de la matière condensée, physique mécanismes à l’œuvre dans la nucléosynthèse
quantique, physique des plasmas, physique stellaire ? Quelles mesures de section efficace
de la combustion, etc.), avec également une sont nécessaires pour la compréhension des
riche activité théorique. processus stellaires ? ;
Ce domaine bénéficie de l’expérience et – supernovae : comment explosent-elles ?
des compétences techniques des équipes tra- On est encore incapable de simuler l’explosion
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RAPPORT DE CONJONCTURE 2006
de certains types de supernovae, pourtant à 3.4 P ROJETS EN COURS ET FUTURS
l’origine des éléments lourds dans l’univers ;
– masse des neutrinos : quel est leur rôle
cosmologique ? Les grandes structures de l’univers
Cette liste n’est certainement pas exhaus-
tive. Plusieurs sondes permettent d’explorer
la géométrie de l’Univers, et d’accéder à
des informations sur sa composition et la
nature de l’énergie noire : supernovae utilisées
comme chandelles standard, fond diffus cos-
3.3 DES STRATÉGIES mologique, relevés à grand champ, cisaille-
MULTI - MESSAGERS ment gravitationnel, oscillations de baryons.
La France a une excellente position dans
La compréhension fine des sites astrophy- le domaine des supernovae et du cisaillement
siques extrêmes et de l’Univers primordial gravitationnel (« weak shear ») grâce au pro-
passe nécessairement par la mise en œuvre gramme « Legacy Survey » du CFHT, à Hawaı̈
de moyens observationnels inédits en astrono- (CFHTLS, SNLS, SNFactory). Dans le domaine
mie traditionnelle. Il s’agit ainsi de collecter du fond diffus, elle a acquis une expérience
autant d’information que possible à l’aide de certaine grâce à l’expérience ballon Archéops,
plusieurs messagers : et joue un rôle important dans la mission spa-
tiale Planck, dont le lancement est prévu en
– les photons, depuis les ondes radios jus- 2008, avec un rôle leader dans l’un des deux
qu’aux gammas de haute énergie, qui permet- instruments (HFI), qui devrait permettre des
tent de remonter aux zones d’accélération de progrès importants sur l’étude de la polarisa-
particules, d’annihilation de matière noire non- tion du fond cosmologique. Il est important de
baryonique, au découplage matière-rayonne- bien assurer le retour scientifique de la mission
ment et à l’Univers primordial ; Planck, en particulier au sein de l’IN2P3.
– les rayons cosmiques (protons et ions), En ce qui concerne l’astronomie à grand
qui nous renseignent sur les phénomènes champ, la France est absente du projet améri-
d’accélération, et sur la propagation interga- cain SDSS (Sloan Digital Sky Survey), qui béné-
lactique et galactique ; ficie en ce moment d’un retour scientifique
– les neutrinos, qui donnent des informa- exceptionnel, en grande partie dû à la combi-
tions sur les zones profondes d’objets opaques naison entre photométrie à grand champ et
aux photons ; spectroscopie. Mais vue l’importance des
sujets de physique concernés par cette tech-
– les ondes gravitationnelles, produites par nique (cisaillement gravitationnel, supernovae,
les mouvements de la matière (sources astro- oscillations de baryons, mesures d’amas de
physiques et cosmologiques, en particulier les galaxies), la France (et l’Europe) doivent défi-
trous noirs et les objets compacts) et par l’Uni- nir une stratégie de participation à de futurs
vers primordial. projets d’astronomie grand champ, qui bénéfi-
Soulignons que les neutrinos de haute cieraient, à l’instar du SDSS, d’une association
énergie et les ondes gravitationnelles sont des avec un survey spectroscopique. En particulier
domaines pionniers. se posent les questions d’une participation au
projet LSST et du rôle de l’ESO. L’extension
dans le domaine infrarouge de ces surveys
(par exemple avec VISTA) permettrait de
caractériser des objets plus lointains, ce qui
est essentiel pour la recherche de supernovae
à z4 1.
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