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Particules et Univers : observation, données, information

Directeur scientifique : Jacques Martino (IN2P3/CNRS)
Directeur du programme : Stavros Katsanevas (IN2P3/CNRS)
Président du conseil scientifique : François Bouchet (INSU/CNRS)
Contact Mission pour l'interdisciplinarité : Laurence El Khouri

 

• Presentation du programme
• Colloques
• Archives des appels d'offres

 

Présentation du programme

1/ Contexte

Le domaine scientifique couvert par le programme se situe à l’interface entre la physique (astrophysique, physique théorique, physique nucléaire, et physique des particules), les sciences et technologies de l’information et de l’ingénierie (en raison de liens forts avec la technologie des capteurs de grande sensibilité et avec le calcul massif), et l’environnement, les géosciences et le développement durable (liens développés plus récemment en raison des transferts potentiels de technologies innovantes développées par le programme).

La thématique est récente, même si une partie de la problématique est ancienne (rayons cosmiques, matière noire, cosmologie). Elle se développe vigoureusement partout dans le monde et s’appuie fortement sur de grands instruments au sol ou dans l’espace. Le CNRS a su très tôt faire émerger et structurer le domaine des astroparticules et il a joué un rôle pionnier en Europe. Dès 2000 il a lancé le programme Astroparticules et la commission interdisciplinaire astroparticules (CID 47) et il a décidé le financement de deux TGE du domaine : VIRGO, puis HESS.

Ce rôle pionnier en Europe est reconnu par le fait que le CNRS co-ordonne à présent deux ERANET (European Research Area NETworks) du FP6 : ASPERA, directement lié au domaine et ASTRONET qui l’inclut dans sa problématique. Le CNRS joue un rôle central (avec le CEA qui en est le coordinateur) dans le réseau I3/FP6 d’infrastructures souterraines ILIAS. Dans les années à venir, ces réseaux vont lancer des appels d’offre d’envergure européenne.

2/ Objectifs et plus-value attendue

Le programme « Particules et Univers, Observation, Données, Information» (2008-2012) se propose de structurer la communauté des chercheurs autour de 3 thématiques scientifiques et 5 actions transversales. Les trois thématiques scientifiques sont :

• La cosmologie
• L’étude de l’Univers violent grâce aux messagers de haute énergie
• Les ondes gravitationnelles

Les cinq actions transversales sont :

• Développement de nouveaux capteurs de grande sensibilité à plusieurs longueurs d’onde (des ondes radio aux rayons gamma).
• Développement des systèmes distribués de capteurs, autonomes (du point de vue de l’énergie) et « intelligents » (traitement et calcul local) pouvant être déployés dans des milieux hostiles (désert, fond sous-marins, caves souterraines)
• Développement de nouvelles techniques de calcul requises pour la simulation théorique et l’analyse de la grande masse de données produites par les observatoires du domaine
• Valorisation des observatoires et des techniques pour l’environnement et le développement durable (géosciences, biologie de l’extrême, suivi du climat et des risques climatiques ou géologiques)
• Etudes philosophiques, comparaisons anthropologiques et communication sur la problématique fondamentale de l’origine de l’Univers et des phénomènes cosmiques. Soutien à l’éducation et aux actions grand public sur les thématiques du programme.

Plus spécifiquement les buts du nouveau programme sont :

• Intensifier l’effort interdisciplinaire de retour scientifique et valorisation pour les grandes infrastructures de l’astroparticule qui viennent d’entrer en opération (HESS, AUGER, ANTARES, VIRGO,…) ou entreront en opération dans les années à venir (par exemple PLANCK et GLAST en 2008)
• Organiser les efforts de calcul: simulations théoriques, algorithmique et méthodologies de calcul
• Structurer la R&D sur l'électronique et les détecteurs des expériences futures et encourager le développement de méthodes innovantes de détection des messagers cosmiques.
• Structurer la réponse des groupes français aux appels d’offre des réseaux européens du domaine (ASTRONET, ASPERA) coordonnés par le CNRS (par exemple ERANET+)
• Inciter des travaux de valorisation des techniques de l’astroparticule pour les géosciences, l’environnement et le développement durable.
• Inciter des travaux des sciences humaines et sociales sur les thèmes de l’origine de l’Univers et des phénomènes cosmiques (rayons cosmiques, supernovae, trous noirs, matière et énergie noire), leur réception sociétale, leur potentiel d’attractivité pour la science, leurs modes de communication et réception, leur comparaison anthropologique avec d’autres systèmes de pensée, leur couplage aux faits religieux. Inciter des actions de diffusion de connaissances.

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3/ Enjeux scientifiques interdisciplinaires

Astrophysique

Certains des grands problèmes de l’astrophysique font intervenir des phénomènes de haute énergie où l'instrumentation de la physique des particules est nécessaire à l'observation. Du point de vue de l’astrophysicien, les questions fondamentales du domaine portent sur l’Univers primordial, sur la formation des structures à l'origine des premières étoiles, des galaxies et des amas de galaxies, mais aussi sur la structure et la géométrie de l’Univers et sur la physique des objets compacts comme les trous noirs et leur environnement. Du point de vue observationnel, il faut observer l’Univers non seulement de façon conventionnelle en détectant des photons, en étendant le spectre observé jusqu'aux plus hautes énergies mais de plus, faire appel à de nouveaux messagers comme les ondes gravitationnelles et les neutrinos.

Physique des particules

D’un autre côté, l’Univers peut servir de laboratoire pour résoudre des problèmes fondamentaux de la physique théorique ou de la physique des particules. Ainsi, l’étude des premiers instants de l’Univers est-elle intimement liée à la physique des particules élémentaires, qui devra par exemple expliquer comment la matière a pris le pas sur l’antimatière. Ensuite, l’expansion de l’Univers dépend de la quantité de matière non lumineuse (ou matière "noire"). De plus, l’accélération de l’expansion de l’Univers observée à travers la mesure des Supernovae implique une énergie "noire". Ces questions fondamentales sont reliées au nombre de dimensions de l’Univers qui pourrait en comporter jusqu'à 11 : les 4 dimensions de l'espace-temps habituel et des dimensions compactes.

Théorie

Du point de vue théorique, le domaine fait appel aux spécialités suivantes : gravitation relativiste, accélération de particules dans les plasmas astrophysiques, physique de l'accrétion-éjection, théories de champs forts, théories des particules, modèles cosmologiques, astrophysique nucléaire.

Environnement et développement durable

Les observatoires de l’astroparticule peuvent servir aux thématiques des géosciences, du climat et de du développement durable de deux façons. D’abord grâce à l’utilisation de la technologie des réseaux étendus de capteurs intelligents déployés dans des milieux souvent hostiles ; ces réseaux peuvent fournir des grandes masses de données de suivi du climat et des risques en temps réel. En outre, des études originales peuvent être faites avec ces mêmes instruments (bioluminescence, origine des nuages et des orages, rôle des rayons cosmiques sur les évolutions cellulaires, étude des microorganismes découplés du reste de l’évolution)

Développement des capteurs et calcul massif

Les observatoires du domaine ont besoin de développer des capteurs innovants de grande sensibilité, parfois à bas coût et se construisent en partenariat avec les chercheurs de l'institut INST2I du CNRS et avec l’industrie (PHOTONIS, SAGEM,THALES). Autre « outil » essentiel : le traitement massif de données qui occupe une place de plus en plus importante dans les activités des communautés scientifiques concernées.

L’origine du cosmos et les phénomènes cosmiques : un enjeu de société

Il s’agit là d’une des interrogations les plus anciennes de l’humanité, apparue avec les mythes, puis les religions et dès le début de l’école rationaliste. Ces questions ne sont vraiment traitées scientifiquement que depuis le vingtième siècle avec la cosmologie. Le CNRS possède l’envergure nécessaire pour largement valoriser et diffuser ces connaissances sur un sujet aussi attractif et pour s’investir dans ce domaine où toutes les disciplines ont leur mot à dire.

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4/ Modes d'action

Une partie du budget (entre 5 et 10%) sera consacrée à des actions d'animation, dont le financement du GDR PCHE. D’autres structures qui souhaiteraient dans le futur servir de structure d’animation scientifique pour le programme pourraient se voir déléguer l’organisation de ces actions d’animation et être financées de la même manière, pour des coûts restant faibles. L’évaluation de ces projets sera faite par les conseils scientifiques des structures en question.

Le gros du budget servira à des actions majeures de soutien au retour scientifique, R&D ou améliorations des détecteurs existants, calcul et actions interdisciplinaires. Une partie de ces sommes serait disponible pour la participation à des appels d’offre européens (ERANET+). La distribution des fonds se fera annuellement, après un appel d’offres qui aura lieu en début d’année, et évaluation par le conseil scientifique du programme ; le comité de pilotage validera les actions du programme.

Les objectifs en termes de résultats scientifiques, d’organisation et de projets sont explicités ci-dessous et pourraient servir de grille d’évaluation du succès du programme au terme du mandat de 4 ans.

• Aide au retour scientifique et animation scientifique.
• Aide à la construction et la R&D.
• Algorithmique et méthodologie de calcul, traitement et fusion des données
• Etudes pour l’environnement et le développement durable.
• Etudes de communication et réception scientifique.

5/ Partenariats

Tous les projets se font avec un partenariat international.

La dimension européenne est très forte à travers les deux ERANET européens en liaison directe ou indirecte avec la thématique, coordonnés par le CNRS. Les grandes infrastructures du programme sont incluses dans les feuilles de route européennes de ces ERANET et en partie dans la feuille de route de l’ESFRI (KM3, SKA). Le financement des actions communes au niveau européen est en discussion dans le contexte des réseaux ERANET.

Les observatoires des astroparticules relèvent de plusieurs organismes aux Etats Unies (NSF, DOE, NASA). Le programme coordonnera ses actions avec celles des corps scientifiques et exécutifs aux Etats-Unis en relation avec les astroparticules. Des liens institutionnels avec le Japon et la Chine sont aussi en développement.

Il y aura plusieurs actions de recherche, communication et éducation en partenariat avec les Universités.

Le soutien fort de la région PACA pour ANTARES et de la HAUTE-SAVOIE pour le laboratoire du Fréjus sont des partenariats bienvenus, qui seront intensifiés dans le cadre du CPER (extension ANTARES et extension du laboratoire de Fréjus).

Au sein du programme actuel, des contacts fructueux ont été établis avec l’industrie (par exemple PHOTONIS, SAGEM, THALES). Des contacts préliminaires existent avec plusieurs compagnies pour le développement des détecteurs matriciels, la valorisation des échantillonneurs rapides et les processeurs embarqués d’intelligence distribuée.

Des partenariats autour du calcul massif et l’intelligence distribuée existent et vont s’intensifier avec les centres importants de calcul du CNRS et de ses partenaires

Il existe de nombreux projets spatiaux dans le domaine des astroparticules. Le CNES est un partenaire naturel et important du programme.

6/Descriptif du programme

Structure de l’Univers

L’étude de la structure et de l’évolution de l’Univers s’appuie en partie sur l’étude des propriétés des particules élémentaires et leurs interactions. Elle s’appuie également sur les observations de l’Univers à grande échelle, qui contraignent les modèles cosmologiques, avec d’importantes conséquences pour la physique subatomique.

Les expériences étudiant le rayonnement fossile comme le satellite Planck, permettent de mesurer les paramètres cosmologiques fondamentaux : taux d’expansion de l’Univers, taux d’accélération de l’expansion, quantité totale de matière noire, géométrie de l’Univers, etc. Après Planck, des expériences de mesure de la polarisation du fonds diffus cosmologique, au sol et à l’espace, qui permettront de sonder le potentiel à l’origine des fluctuations cosmologiques, sont à l’étude.

Dans le même ordre d’idées, les observations de supernovae lointaines suggèrent que l’expansion de l’Univers est dans une phase d’accélération. Les programmes de télescopes au sol et à l’espace (par exemple télescope LSST au sol et SNAP, proposé à la NASA ou DUNE, proposé à l’ESA) testeront cette hypothèse avec précision.

Le champ d’action du programme devra inclure le développement des outils de traitements massifs de données nécessités par les mission Planck et Energie Noire (LSST/DUNE/SNAP) ainsi que la R&D pour les détecteurs matriciels en proche infrarouge (énergie noire) et submillimétrique (fonds diffus cosmologique). Cette R&D devrait naturellement impliquer le CNES.

Pourra-t-on détecter directement la matière noire? Les observations astronomiques tentent plus particulièrement de détecter des astres sombres de masse sub-stellaire. Les résultats sont plutôt négatifs et suggèrent que le halo de matière noire de la Galaxie serait essentiellement constitué de particules élémentaires hypothétiques, les « mauviettes» ou WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles). Particules que l’expérience EDELWEISS en cours dans le laboratoire souterrain de Modane tente d’identifier via leurs collisions avec la matière ordinaire. Le programme se donne comme objectif d’accompagner la phase 30 kg de l’expérience Edelweiss dans les années à venir.

Phénomènes à haute énergie dans l’Univers

L’Univers est un laboratoire extraordinaire. On y trouve ainsi des conditions extrêmes, inaccessibles sur Terre, tant dans l’Univers primordial que dans le voisinage des trous noirs et des étoiles à neutrons, où règnent des champs gravitationnels et/ou magnétiques très intenses. Les trous noirs sont observés à différentes échelles de masse : masses stellaires avec les microquasars, mais aussi masses plusieurs centaines de millions de fois plus importantes avec les noyaux actifs de galaxie. Ces objets sont entourés par des disques d'accrétion émettant notamment dans le domaine des rayons X et certains présentent des jets relativistes éjectant une partie de la matière accrétée. Les sursauts gamma situés à des distances cosmologiques, comptent parmi les sources d’énergie les plus puissantes de l’Univers sont certainement liés à des processus physiques au voisinage des trous noirs et à l'éjection d'un jet ultra-relativiste proche de la direction visée. Leur extrême luminosité en fait des traceurs naturels de l'Univers distant et donc observé très peu de temps après le Big Bang, lorsque se forment les premières générations d'étoiles qui réionisent l’Univers. Tout comme les quasars, les sursauts gamma permettent également de sonder le milieu interstellaire de leur galaxie hôte ainsi que le milieu intergalactique.

Quelle est la nature des accélérateurs de rayons cosmiques ? L'astronomie gamma a déjà mis en évidence diverses sources de particules de haute énergie, mais pas celles que l'on attendait en priorité, à savoir les restes de supernovae. Déterminer les rôles respectifs des divers types de sources dans la production des rayons cosmiques sur les 10 ordres de grandeur en énergie couverts par leur spectre reste aujourd'hui un défi de taille pour la thématique des astroparticules. Pour le relever, on compte d'abord sur la sensibilité accrue des nouveaux instruments dans les divers domaines de l'astronomie gamma : le satellite GLAST (haute énergie) prévu pour 2008 et, aux très hautes énergies, l'expérience franco-allemande HESS déjà en fonctionnement en Namibie et ses suites. Ensuite interviendront les détecteurs des nouveaux messagers que sont les neutrinos et les ondes gravitationnelles (voir section suivante).

Les rayons cosmiques d'énergie ultra-haute posent des questions spécifiques : les mécanismes d'accélération dans les objets astrophysiques connus ont du mal à rendre compte d'énergies supérieures à 1019 eV. De plus, les interactions de ces rayons cosmiques avec les photons du fond cosmologique devraient normalement dégrader leur énergie (sauf cas de sources relativement proches) et l'on s'attend à une coupure du spectre à 1020 eV. L’étude des rayons cosmiques ultra-énergétiques avec une sensibilité inégalée et leur corrélation éventuelle avec des sources astrophysiques est l’objectif du projet international Auger, qui voit se terminer le déploiement de 1600 détecteurs sur 3000 kilomètres carrés dans la pampa argentine en 2007.

Les participations françaises aux expériences internationales HESS et AUGER seront accompagnées par le programme avec une attention particulière à la participation d’équipes d’astrophysiciens et de phénoménologistes. La détection des photons est parmi les outils principaux de ces études, ainsi le photomultiplicateur « pixellisé » ou de grande surface collectrice est un instrument omniprésent dans ce domaine et le domaine des télescopes neutrino. Le programme organisera la R&D en vue d’une augmentation de l’efficacité de détection et d’une baisse des coûts de construction. Des nouvelles idées de détection, par exemple la radiodétection des gerbes atmosphériques, seront aussi soutenus (par exemple projet CODALEMA).

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Nouvelles fenêtres sur l’Univers

Le domaine des astroparticules inclut aussi les messagers non photoniques comme les rayons cosmiques, les neutrinos de haute énergie et les ondes gravitationnelles. L’astrophysique, devenue depuis plus d’une dizaine d’années multi-longueur d’onde, devient ainsi multi-messagers.

ANTARES est un projet international impliquant cinq pays européens et visant à détecter les neutrinos cosmiques au moyen d'instruments installés en mer Méditerranée à 2500 m de profondeur. Le CEA est partie prenante dans ANTARES de même que l’IFREMER, intéressé par les mesures océanographiques de longue durée qui seront ainsi accumulées. L'étape suivante dans l'étude des neutrinos cosmiques de haute énergie sera un détecteur d’un km3 ; il aura la sensibilité de détecter des neutrinos en provenance des noyaux actifs de galaxie, sursauts gamma et autres sites de production de rayonnement de haute énergie, pourvu que le mode de production soit de type hadronique. La participation française à ce projet sera évaluée et accompagnée par le programme.

Quant aux ondes gravitationnelles, l’instrument franco-italien Virgo (INFN-CNRS) à Cascina près de Pise a commencé sa première prise de données scientifiques en coïncidence avec LIGO, son équivalent aux Etats-Unis. Cet instrument est développé sous la responsabilité de l’Observatoire Gravitationnel Européen (EGO) qui abritera aussi les détecteurs futurs. Cet observatoire pourra détecter des ondes gravitationnelles émises dans des processus extrêmement énergétiques et violents comme la coalescence de deux trous noirs ou étoiles à neutrons. Ce programme de recherche est financé par le budget des TGE du CNRS. Observation des ondes gravitationnelles et observation des phénomènes de haute énergie sont deux aspects complémentaires de l’identification et de l’étude des sources compactes. Ces études de type multimessager seront encouragées et financées par le programme ainsi qu’un programme d’améliorations du détecteur existant (VIRGO+, advVIRGO, Einstein Telescope) ; Des études pour un détecteur d’ondes gravitationnelles à l’espace (LISA) entrent aussi dans le cadre de ce programme.

Des études du cosmos au suivi de l’environnement terrestre et le développement durable

Les observatoires de l’astroparticule souhaitent capter des rayonnements cosmiques dont le flux est tès faible. Ceci nécessite en premier lieu un suivi en continu du milieu terrestre de propagation et de détection de ce rayonnement : l’atmosphère, la mer, les roches des caves souterraines.

Il faut souvent mettre en place des réseaux étendus de capteurs dans des milieux difficiles d’accès ou « hostiles » : le fonds de l’océan, des cavernes souterraines, le désert. Ces réseaux fournissent des informations en continu sur le comportement de ces milieux. ANTARES par exemple est déjà le plus grand observatoire sous-marin qui a permis de créer une grande base de données des courants océaniques, de la bioluminescence, de la sismicité et autres informations utiles pour les géosciences et l’environnement. La détection précoce des tsunamis pourrait aussi être une application de la technologie utilisée. Le réseau NEPTUNE aux Etats-Unis ressemble étonnament aux concepts de télescopes neutrino. Le projet ESFRI d’observatoires de fond de mer EMSO a déjà développé des liens étroits avec ANTARES et KM3. Ces observatoires du neutrino sont à présent les seuls sites qui peuvent envoyer des informations en continue (1Gbit/s) du fond océanique pour l’étude, entre autres, de la bioluminescence et des organismes biologiques de l’extrême.

De même AUGER est un réseau de capteurs couvrant une superficie de 3000 km2 avec une maille fine d’un km. Il constitue donc aussi le réseau le plus dense de capteurs autonomes (panneaux solaires, GPS, plusieurs capteurs de paramètres atmosphériques et lien radio à un centre de données) jamais déployé. La technologie a été validée, ses applications pour l’étude du climat ou le suivi des risques restent à développer. On peut imaginer des applications qui vont du suivi climatique jusqu’à la prévention des feux de forêt. Au delà du champs applicatif on peut encore tester le rôle des rayons cosmiques dans la formation des phénomènes atmosphériques orageux et des nuages.

Enfin, les cavernes profondes, lieu de déploiement des observatoires de la matière noire et du neutrino, sont des lieux protégés du rayonnement cosmique et des autres bruits cosmogéniques ou anthropogéniques et ce qui en fait également un environnement privilégié d’étude des phénomènes rares. On y étudie la fiabilité des composantes électroniques, on peut y tester la pureté des matériaux du point de vue de leur radioactivité, étudier le développement des microorganismes développés en isolement du reste de la chaîne de l’évolution. On peut également étudier l’interaction de la biologie avec l’hydrologie et les autres facteurs géologiques pour former le monde souterrain, attaquer les problèmes de l‘effet du rayonnement cosmique sur l’évolution cellulaire, explorer les pistes d’une origine souterraine de la vie.

 

Colloques

Journée des directeurs de PIR le 26 juin 2009 à Gif sur Yvette

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Journée des directeurs de PIR le 27 juin 2008 à Gif sur Yvette

• Présentation du programme "Particules et Univers" (ppt)
• Toutes les présentations

 

Archives des appels d'offres

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• Appel d'offres 2009 (pdf)
• Appel d'offres 2008 (pdf)

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