Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Le comité des programmes de l’Agence Spatiale Européenne vient de sélectionner la mission ARIEL (pour Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) comme la 4e mission de classe intermédiaire du programme « Cosmic Vision » avec un budget de 450 millions d’euros. ARIEL sera lancé de la base de Kourou en Guyane en mai 2028 et sera placé en orbite au point de Lagrange L2, situé à 1.5 million de kilomètres de la Terre. ARIEL est un télescope spatial qui sondera de manière systématique les atmosphères d’un millier de planètes extrasolaires, des géantes gazeuses aux planètes rocheuses, qu’elles soient chaudes ou tempérées autour d’étoiles de différents types. ARIEL mesurera la composition et la structure des atmosphères planétaires, contraindra la nature des cœurs planétaires, détectera la présence de nuages et étudiera les interactions avec l’étoile hôte.

Dans le cadre du projet de jouvence du spectromètre CLAS en vue de la montée en énergie à 12 GeV du faisceau d’électrons du Jefferson Lab (USA), l’Irfu a mené une R&D pendant plus de 10 ans pour concevoir et réaliser un trajectographe de nouvelle génération, employant des détecteurs Micromegas minces et flexibles qui sont désormais en fonctionnement auprès du nouveau spectromètre CLAS12. Après un an d’installation, ce trajectographe est opérationnel et  remplit les caractéristiques attendues avec plus de 95 % d’efficacité de detection et une résolution spatiale de moins de 100μm. Après une prise de données dédiée pour mesurer les réponses des détecteurs, le nouveau spectrometre CLAS12 est à ce jour en prise de données pour l'experience de physique DVCS auquelle participe aussi l'Irfu et dont l'objectif est la mesure de la structure interne du proton en 3 dimensions. 

Ce projet de trajectographe, issu d’une collaboration étroite entre les départements d’ingénierie et de physique de l’Irfu (le DEDIP, le DIS et le DPhN) est une réussite exceptionnelle et a donné lieu à d’autres  projets pour de nombreuses expériences de physique depuis la chasse aux particules au LHC à l'imagerie muonique des pyramides, ainsi qu’à un transfert de savoir-faire à un industriel.

L'observatoire Cherenkov Telescope Array (CTA) annonce aujourd’hui la signature de trois conventions qui permettront de construire son site austral au Chili, plus précisément sur les terrains de l’ESO à 11km au sud-est du Très grand télescope (VLT) dans le désert d'Atacama. CTA sera formé d’un réseau de 118 télescopes répartis sur deux sites, un dans l’hémisphère Nord et un autre dans l’hémisphère Sud. Les équipes du CNRS et du CEA ont notamment participé au choix de l’implantation dans l’hémisphère Sud et préparent les instruments pour les télescopes. Les premières observations gamma de l’Univers par CTA sont attendues dès 2022.

L’astronomie en rayons gamma témoigne des phénomènes les plus violents de l’Univers comme l’explosion d’étoiles massives en fin de vie (supernovae), l’activité de trous noirs galactiques, la fusion de trous noirs ou les sursauts gamma. En l’associant avec l’observation en infrarouge, visible et en rayons X, elle devrait permettre une meilleure compréhension des « accélérateurs de particules » naturels que sont ces « monstres » cosmiques. Les physiciens espèrent également observer l’annihilation de la matière noire via l’émission gamma qui l’accompagnerait, et ainsi, la démasquer enfin. 

Les télescopes Tcherenkov, comme Hess en Namibie, Magic aux îles Canaries et Veritas aux Etats-Unis, détectent au sol la lumière bleutée produite par l'interaction avec l'atmosphère des rayons gamma de très haute énergie. Afin de couvrir la totalité de la voûte céleste, deux réseaux de télescopes de ce type doivent être installés, l’un dans l’hémisphère Nord et le deuxième dans l’hémisphère Une centaine de télescopes au total, érigés spécifiquement pour CTA, permettra d'étudier les phénomènes cataclysmiques de l'Univers avec des performances dix fois supérieures à celles des instruments existants. 

Après plus de 5 ans de développement dont 6 mois de travail d’intégration depuis les 12000 pièces détachées jusqu’à un cryomodule complet, le CEA-Irfu vient de valider les premières mesures de ce système complexe cryogénique au champ accélérateur ESS nominal de 17 MeV/m dans les 4 cavités accélératrices supraconductrices le composant.

Aux limites de technologies, c’est la première fois qu’un champ accélérateur aussi intense, maintenu sur des durées de pulse aussi longues et avec une puissance RF aussi importante, est mesuré dans des cavités supraconductrices installées dans un cryomodule.

Cette étape clé permet d’aborder la phase production des 30 cryomodules que la France doit livrer à cette infrastructure de recherche ESS, future source à neutrons opérationnel en 2023 en Suède. Cette intégration en série débutera dès le mois de janvier 2019 sous la maitrise d’œuvre de l’Irfu avec la contribution de l’entreprise B&S France et devra s’achever en 2022.

Une équipe dirigée par l'Université College de Londres (UCL), en collaboration avec le Département d'Astrophysique du CEA-Irfu, vient d'améliorer considérablement l'analyse des cartes de matière noire dans l'Univers grâce à de nouvelles méthodes d'analyse de données. Les cartes produites par cette analyse démontrent la puissance de ces nouvelles méthodes innovantes pour analyser les futurs grands ensembles de données comme ceux attendus de la prochaine grande mission cosmologique EUCLID. Ces résultats sont publiés dans la revue MNRAS.

Malgré une courte période d’avtivité, le satellite à rayons X Hitomi de l’agence spatiale japonaise Jaxa a montré tout son potentiel et livré aux scientifiques des informations de premier plan d’objets célestes très divers. Dans une série de travaux basés sur ces observations et réunis dans un numéro de la revue PASJ (Publications of the Astronomical Society of Japan), la collaboration Hitomi à laquelle est associée une équipe de chercheurs du Département d’Astrophysique du CEA-Irfu de Saclay expose une série de résultats mettant notamment à profit l’exceptionnel pouvoir de résolution spectrale du spectromètre SXS, l’un des instruments de la plateforme. Au cœur de ces travaux figurent notamment une étude détaillée de la dynamique du plasma au centre d’un noyau actif de galaxie, celle de l’éjecta de plusieurs restes de supernova, de la composition de matière dans un système binaire ou la recherche de  corrélations X et radio du pulsar du Crabe grâce à la haute résolution temporelle. Effectuées lors de la phase de vérification et d’étalonnage des instruments avant la défaillance du satellite, ces observations et la qualité des résultats obtenus confortent la communauté dans le choix des instruments et dans celui du fort potentiel de la haute résolution spectrale X. Cette démarche est au cœur du successeur de Hitomi, Xrism (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission) et du projet spatial majeur X de l’ESA Athena dans lequel le CEA est fortement impliqué.

En 2018, l’Irfu participe à une publication CUPID-0: the first array of enriched scintillating bolometers for 0νββ decay investigations qui fait le point sur une première matrice de bolomètres installés au laboratoire du Gran Sasso en Italie dont l’objectif est de traquer la désintégration double beta sans émission de neutrino (0νββ) qui révèlera la nature des neutrinos. Cette publication décrit l’intégration des détecteurs, leurs tests et leur mise en service pour une première prise de données qui a démarré en 2017 avec la participation à différentes étapes des chercheurs de l’Irfu et IN2P3. Les résultats des tests montrent une très bonne réponse de l’électronique et des systèmes cryogéniques. La valeur médiane en résolution en énergie prouve l’efficacité inégalée de cette technique de mesure de la radioactivité permettant de dissocier la désintégration beta de celle de type alpha, source de bruit de fond dans ces recherches.

Le premier triplet de multipôles supraconducteurs du spectromètre S³, l’une des salles d’expériences de l’installation Spiral2, est arrivé au Ganil le 29 août 2018.

L’aimant, d’une masse de 2,8 tonnes, mesure 1,8 m de long et presque autant de haut. Ce type d’aimant, très compact malgré le nombre de fonctions optiques qu’il permet de générer (quadrupôle, sextupôle, octupôle et dipôle), est le premier d’une série de sept à être livré au Ganil.

Le champ magnétique est généré par du conducteur en alliage niobium-titane (NbTi) disposé dans un matrice époxy/fibre de verre, à la température de l’hélium liquide (4,2 kelvins). Les amenées de courant, constituées de deux types de supraconducteur à haute température, sont refroidies à l’azote.

Il s’agit d’un design unique fruit d’une collaboration entre le Ganil, le CEA/Irfu, le laboratoire américain d’Argonne Nat. Lab. et les deux industriels qui ont en charge le prototypage et la série (Advanced Magnet Lab. pour les bobines supraconductrices, Cryomagnetics. Inc pour les cryostats et l’intégration).

Cet élément a été financé par l’EQUIPEX n° 10-EQPX-0046, attribué à S3 par l’Agence Nationale de la Recherche en 2011.

Contacts: Antoine Drouart, Myriam Grar (Ganil) et Hervé Savajols (Ganil)

Ce projet WHOLESUN vient d’être financé pour une durée de six années par une prestigieuse bourse Synergy du Conseil européen de la recherche (ERC). Cinq experts Européens du Soleil et des étoiles, issus du département d’Astrophysique du CEA-Irfu / UMR AIM, du Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) en Allemagne, de l'Université de St Andrews au Royaume-Uni, de l'Université d'Oslo en Norvège et de l'Institut d'Astrophysique des Canaries (IAC), vont mettre en commun leurs savoir-faire et connaissances de la dynamique de notre étoile et de ses jumeaux. L’objectif est de déterminer au cours des six prochaines années comment le champ magnétique est généré à l'intérieur du Soleil et comment il crée des tâches solaires à sa surface et des éruptions dans son atmosphère hautement stratifiée. À cette fin, l'équipe développera le modèle du Soleil complet le plus avancé à l'aide des super ordinateurs les plus puissants, dits Exa-scale et le contraindra avec les observations venant de missions spatiales, tel que Solar Orbiter de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) qui sera lancé en 2020.

Le télescope spatial infrarouge SPICA vient d’être présélectionné par l’agence spatiale européenne (ESA) afin de participer à la compétition finale qui verra en septembre 2021 le choix de la prochaine mission de taille moyenne de l’ESA (mission M5). SPICA est un télescope infrarouge de grande taille (diamètre 2,5 m) entièrement refroidi à une température de seulement quelques degrés au dessus du zéro absolu. Ce concept a été proposé à l’ESA dans le cadre de la compétition pour la mission M5 du programme « Cosmic Vision » (25 propositions soumises) par un consortium de laboratoires de recherche Européens mené par la Hollande en collaboration étroite avec l’agence spatiale japonaise (JAXA), et auxquels participent en France le CEA, le CNRS et leurs universités associées avec le support du CNES.

Quelle est la masse des neutrinos ? Pour répondre à cette question fondamentale l'expérience KATRIN a été conçue et construite par une collaboration internationale au Karlsruhe Institute of Technology. Le 11 juin 2018 un colloque international a marqué le début de la prise de données. Les premiers spectres d’électrons issus de la désintégration du tritium ont été analysés par une chaine d’analyse développée à l’Irfu. Tout est conforme aux spécifications demandées et la première longue campagne de prise de données pour la physique peut démarrer.  Premiers résultats  attendus en 2020.

Le 7 mai 2018, l'Agence spatiale européenne (ESA) a annoncé les trois missions spatiales sélectionnées, sur les 25 proposées, pour la cinquième mission de classe moyenne de l'ESA dans son programme scientifique Cosmic Vision, dont la date de lancement est prévue en 2032. L'une de ces trois missions est le projet THESEUS (Transient High-Energy Sky et Early Universe Surveyor), un projet développé ces dernières années par un grand consortium européen dans lequel le Département d'Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA-Irfu joue un rôle majeur. THESEUS vise à explorer l'Univers précoce (le premier milliard d'années) grâce à des sursauts gamma (GRBs), les explosions les plus extrêmes du cosmos, et à fournir une détection, une localisation précise et une mesure de la distance des sources d'ondes gravitationnelles et de neutrinos, ainsi que de nombreuses autres sources célestes transitoires.

Ce projet WHOLESUN vient d’être financé pour une durée de six années par une prestigieuse bourse Synergy du Conseil européen de la recherche (ERC). Cinq experts Européens du Soleil et des étoiles, issus du département d’Astrophysique du CEA-Irfu / UMR AIM, du Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) en Allemagne, de l'Université de St Andrews au Royaume-Uni, de l'Université d'Oslo en Norvège et de l'Institut d'Astrophysique des Canaries (IAC), vont mettre en commun leurs savoir-faire et connaissances de la dynamique de notre étoile et de ses jumeaux. L’objectif est de déterminer au cours des six prochaines années comment le champ magnétique est généré à l'intérieur du Soleil et comment il crée des tâches solaires à sa surface et des éruptions dans son atmosphère hautement stratifiée. À cette fin, l'équipe développera le modèle du Soleil complet le plus avancé à l'aide des super ordinateurs les plus puissants, dits Exa-scale et le contraindra avec les observations venant de missions spatiales, tel que Solar Orbiter de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) qui sera lancé en 2020.

Lors des collisions d’ions lourds ultra-relativistes auprès de l’accélérateur LHC du CERN, un nouvel état de la matière est formé : le plasma de quarks et de gluons (QGP). Il s’agit d’une sorte de “soupe” très dense et très chaude où ne figurent que les constituants les plus élémentaires de la matière. Quelques microsecondes après le Big Bang, l’Univers serait passé par cet état. A cause des interactions entre ses constituants, le QGP s’écoule tel un fluide. Au LHC, les interactions entre constituants du QGP sont si fortes que même des objets aussi massifs que les quarks charmés sont emportés par cet écoulement, comme l’avait suggéré la mesure du flot du J/ψ (particule composée d’un quark charme et de son antiparticule) d’ALICE lors de la première campagne du LHC (voir fait marquant 2013). Ce résultat vient d’être confirmé par la collaboration ALICE grâce aux données de la nouvelle campagne du LHC (2015-2018). La précision obtenue a permis de mettre en évidence la nécessité d’inclure de nouveaux mécanismes dans les modèles théoriques. Le groupe de Saclay a joué un rôle clé dans l’analyse de ces données.

Plus de vingt ans après la mise en évidence de l’accélération de l’expansion de l’Univers, la nature du phénomène physique à l’origine de cette accélération, appelée « énergie noire », est toujours inconnue. Le modèle actuel de la cosmologie est basé sur la relativité générale comme théorie de la gravitation et établit une prédiction théorique pour la quantité de galaxies qui se forme à u­ne période donnée de l’Univers. On appelle ce paramètre cosmologique le taux de croissance des structures cosmiques. Il permet de tester directement la théorie de la gravitation à l’échelle de ces grandes structures.

Pour la 1^ère fois, le multi-spectrographe eBOSS monté sur le télescope du Sloan Digital Sky Survey au Nouveau-Mexique, a permis de mesurer ce paramètre à partir de la distribution des corrélations spatiales des quasars. Les quasars sont parmi les sources les plus brillantes de l’Univers et permettent de sonder une époque quasiment inexplorée par ce test cosmologique, lorsque l’Univers avait entre 3 et 7 milliards d’années. L’échantillon sur lequel l’analyse repose correspond à 2 ans de prise de données et a déjà permis de sélectionner plus de 148 000 quasars. Les mesures effectuées confirment la validité du modèle de la cosmologie basé sur la relativité générale et peuvent aussi être utilisées pour contraindre des théories alternatives de gravité.

Les résultats ont été publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (P. Zarrouk et al, 2018).

La collaboration continue d’acquérir des données dont l’analyse finale est prévue pour la fin 2019 et qui doublera la taille de l’échantillon. Les cosmologistes du DPhP sont fortement impliqués dans toutes les étapes du programme eBOSS, ainsi que dans son successeur, le projet DESI situé à l’observatoire national Kitt Peak en Arizona et dont le début de la prise de données est prévu pour 2020.

Les collaborations Atlas et CMS, auxquelles participent des équipes du CEA/Irfu et du CNRS/IN2P3, ont annoncé le 4 juin 2018 à la conférence LHCP l’observation directe du couplage du quark top au boson de Higgs. Etudier l'interaction entre le boson de Higgs et la particule élémentaire la plus lourde que l'on connaisse, le quark top, est une voie de recherche des effets de la nouvelle physique, qui doit prendre le relai du modèle standard.

Les résultats des analyses, orchestrées par des physiciens de l’Irfu/DPhP , ont conduit à l’observation de ce processus rare et sont en accord avec les prédictions du modèle standard. Ces prochaines années, les deux expériences collecteront bien plus de données et amélioreront la précision de leurs mesures, ce qui pourrait permettre de mettre à jour une déviation par rapport à la prédiction du modèle standard.

article CMS: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.231801

article Atlas soumis à publication, lien arXiv :https://arxiv.org/abs/1806.00425

La caméra MegaCam développée au CEA-Irfu vient de révéler des structures jusqu'ici insoupçonnées au sein du célèbre Quintette de Stephan, une spectaculaire association de cinq galaxies. La découverte d'un halo rouge très étendu, constitué de vieilles étoiles, et centré sur l'une des galaxies elliptiques, NGC 7317, montre que le groupe de galaxies est encore en très forte interaction, un aspect totalement ignoré dans les études précédentes. Cette interaction montre que le Quintette de Stephan est encore le théâtre d'un cannibalisme galactique généralisé, en contradiction avec les prédictions théoriques actuelles qui devront donc être révisées. Ces résultats d'une équipe de l'Observatoire astronomique de Strasbourg, du Département d'Astrophysique du CEA et de l'observatoire de Lund (Suède) sont publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society de janvier 2018.

NFS (Neutrons For Science) est une aire expérimentale de l’installation Spiral2 (Ganil, France) qui fournira des faisceaux de neutrons de grande intensité pour des énergies allant de 0.5 à 40 MeV. Ces derniers seront créés par collision des faisceaux de particules chargées de Spiral2 avec des cibles de carbone, béryllium ou lithium, grâce à un élément clé de NFS, le convertisseur. La conception de celui-ci constitue un réel défi puisqu’il doit résister à une grande puissance déposée par les faisceaux intenses de Spiral2. Dans ce cadre, l’Irfu a conçu et réalisé un convertisseur capable de soutenir une puissance de 2 kW. Les faisceaux de neutrons de NFS permettront d’obtenir des informations dans un domaine en énergie encore peu exploré. La physique fondamentale, la modélisation des réactions nucléaires et les bases de données nucléaires bénéficieront ainsi d’un outil unique.

L’expérience STEREO a présenté ses premiers résultats de physique lors des 53èmes Rencontres de Moriond¹. STEREO est un détecteur de neutrinos formé de six cellules de liquides scintillants qui mesure, depuis novembre 2016, les antineutrinos electroniques produits par le réacteur à haut flux de neutrons de Grenoble à 10 mètres du cœur du réacteur.

L’existence d’un quatrième état du neutrino, appelé neutrino stérile, pourrait expliquer le déficit du flux de neutrinos détecté à courte distance des réacteurs nucléaires par rapport à la valeur attendue. En effet cette anomalie pourrait résulter d’une oscillation à courte distance qui ferait que l'on détecte moins d'antineutrinos electroniques attendus car ils disparaitraient en neutrinos stériles.

Les premiers résultats obtenus en 2018 après 66 jours de données excluent une partie significative de l’espace des paramètres. L’expérience continuera jusqu’à fin 2019 à prendre des données. En multipliant par quatre la statistique et en réduisant au minimum les erreurs systématiques d’analyse, STEREO sera en mesure de trancher sur l’existence de cette 4ieme famille de neutrinos.

¹ 53rd Rencontres de Moriond Electroweak session https://indico.in2p3.fr/event/16579/

La collaboration T2K, dont le but est l’étude et la mesure des oscillations de neutrinos, publie de nouveaux résultats sur l’interaction des neutrinos avec les noyaux. Cette étude, dans laquelle le groupe T2K de l’Irfu joue un rôle prépondérant, est capitale dans la mesure où elle permet de contraindre l’incertitude dominante sur les paramètres d’oscillation. Pour la première fois les protons qui sortent de l’interaction neutrino-noyau ont été caractérisés en utilisant de nouvelles variables capables de mettre en évidence les effets nucléaires.

À l’aide de l’observatoire XMM-Newton de l’ESA, une équipe internationale, dirigée par Marguerite Pierre du Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu  vient de révéler les derniers résultats du sondage XXL, le plus vaste programme d’observation en rayons X réalisé à ce jour par le satellite XMM. Le deuxième lot de données qui vient d'être publié dans un numéro spécial de la revue Astronomy & Astrophysics, comprend des informations sur 365 amas de galaxies et sur 26 000 noyaux galactiques actifs (AGN). Par l'examen profond de deux grandes régions du ciel, le sondage XXL est la première étude en rayons X à détecter suffisamment d’amas de galaxies et d’AGN pour permettre de retracer la structure à grande échelle de l'Univers et son évolution dans le temps avec des détails sans précédent.