IN2P3 50 ANS DE PHYSIQUE

Une physique à l'interface de l'astrophysique et de la physique des particules. Par essence pluridisciplinaire, elle utilise les techniques de la physique des particules pour des projets astrophysiques. Elle inclut la cosmologie dite observationnelle, la physique des neutrinos, l'astronomie gamma à haute énergie, l'étude des rayons cosmiques à très haute énergie ou la recherche des ondes gravitationnelles. Bien que présente à différents degrés dans certains laboratoires de l’IN2P3, la création, sous l'impulsion conjointe de l'Université Paris-Diderot et de l’IN2P3, du laboratoire Astroparticule et Cosmologie (APC) consacre l’importance de cette thématique.

Organisée à l’hôpital Lariboisière par l'Université Paris-Diderot, à l’attention des futures tutelles du laboratoire (Ministère de la Recherche MENRT, CNRS, CEA). Le document fondateur de l'APC, énonçant les grands thèmes structurants (cosmologie, astrophysique des hautes énergies, neutrinos) et transverses (théorie et traitement des données), est présenté, forgeant ainsi l’identité du laboratoire.

Structure provisoire réunissant chercheurs et ITA , à l'origine du futur laboratoire APC. Un conseil de la Fédération est constitué afin d’organiser la vie collective et préparer le futur scientifique. Un conseil scientifique international est également créé afin de valider le projet auprès des tutelles.

Le PCC, laboratoire du Collège de France, rejoint la Fédération de Recherche, puis le laboratoire APC. Créé en 1973 sous le nom de Laboratoire de Physique Corpusculaire du Collège de France, d'abord sous la tutelle du Collège de France et du CNRS/IN2P3, puis celle de l’Université Paris-Diderot en 2001, le laboratoire PCC a participé à plusieurs expériences phares de la physique des particules. À partir du milieu des années 1990, le PCC se focalise sur la cosmologie, l’astroparticule et les neutrinos, notamment à travers sa participation à des projets qui constituent les fondations de l'activité scientifique de l’APC, tels que : Archéops, (expérience ballon précurseur de Planck), les observatoires gamma CAT et CELESTE, (précurseurs de H.E.S.S.), Chooz (précurseur de Double Chooz et de Borexino) ou encore Auger, dont le PCC est membre fondateur.

Mission internationale pilotée par l'ESA dont l'objectif est l’étude du rayonnement gamma émis par divers objets célestes comme les trous noirs, étoiles à neutrons, supernovas, ou encore le milieu interstellaire.

L'objectif est de sonder la communauté scientifique française sur une participation à ce projet européen d'observatoire spatial d'ondes gravitationnelles. L'APC est le seul laboratoire français à participer à LISA/LISA Pathfinder.

Ce détecteur de rayons gamma de très haute énergie utilise la technique dite « Tcherenkov atmosphérique », pour laquelle les physiciens du laboratoire APC ont été pionniers, grâce à leur participation dans les années 90 aux expériences Themistocle, CAT et CELESTE. L'APC a également contribué au design et à l'électronique du détecteur.

Dès ses débuts, le laboratoire mise sur l'interdisciplinarité, d'où la création de l'UMR avec pour tutelles Université Paris-Diderot, CNRS, CEA et Observatoire de Paris. Le directeur est P. Binétruy et le directeur adjoint D. Vignaud.

Ses activités recouvrent les thèmes de cosmologie et d’astroparticule (astrophysique des hautes énergies, gravitation et ondes gravitationnelles, neutrinos) ainsi que des thèmes connexes plus généraux, (théories de gravité massive et d’énergie noire, inflation, théorie quantique des champs, théorie des cordes). Cet angle de recherche original de l'APC au sein de l'IN2P3 s'avère essentiel, notamment grâce à l'impact très important de certaines contributions, dont le taux de citations dépasse à plusieurs reprises les 500.

Destiné à détecter les rayons cosmiques à haute énergie à Malargue en Argentine. Dès la fin des années 90, le laboratoire PCC, puis le laboratoire APC ont fortement contribué au développement du détecteur de surface de l’Observatoire par la mise au point de la carte d’acquisition équipant chaque station autonome.

Les scientifiques Jim Cronin (prix Nobel), Stephen Hawking, Jacques Paul, Gabriele Veneziano (professeur au Collège de France) sont invités à donner des conférences publiques devant 600 personnes.

Son objectif est de mesurer l'angle d'oscillation des neutrinos θ13. Lancée en 2003 par des physiciens de l’APC et du CEA, la collaboration internationale, dont le porte-parole est le physicien de l'APC Hervé de Kerret, prévoit d’installer deux détecteurs identiques auprès des réacteurs nucléaires de Chooz comme source de neutrinos. Cette expérience a bénéficié de l'expertise acquise au PCC dans les expériences Bugey et Chooz.

Mission spatiale développée par le CNES dédiée à l'étude des phénomènes lumineux, radiatifs et électromagnétiques qui se produisent au-dessus des orages. La cellule qualité de l'APC, créée en 2007 en vue du développement d'instruments spatiaux et sol (une première pour un laboratoire de l'IN2P3), est sollicitée pour ce projet.

Pour la première fois, ces observations permettent l'étude d''un phénomène cosmique dans un large domaine de longueurs d'ondes. Elles sont réalisées par les expériences H.E.S.S. (astronomie gamma au sol), Fermi (astronomie gamma dans l'espace), RXTE (rayons X dans l'espace) et ATOM (télescope automatique pour le monitorage optique dans le visible).

Lancé par une fusée Ariane 5 depuis le centre de Kourou en Guyane, afin d'étudier et cartographier le fond diffus cosmologique. Le PCC, puis l'APC sont, dès la fin des années 90, largement impliqués dans l'étalonnage de l'instrument haute fréquence de Planck, notamment dans le développement du dispositif optique de calibration.

Lieu d'échanges et d'interdisciplinarité dont le but est de favoriser les recherches dans les domaines de l'observation de la Terre, de l'exploration planétaire, de l'étude de l'Univers et de la physique fondamentale. L'APC, associé à ce regroupement, participe à un certain nombre de missions spatiales qui sollicitent la moitié de ses forces techniques.

Interféromètre bolométrique sur le site du Dôme C en Antarctique. L'objectif de cette mission: tester l'instrument en mesurant la polarisation atmosphérique des longueurs d'onde millimétriques. Le laboratoire APC a notamment contribué au développement des bolomètres.

Structure associée au laboratoire APC et soutenue par l'IPGP au sein du Campus Spatial de l'Université Paris-Diderot. Il a pour objectif d'apporter un soutien aux expériences spatiales nécessitant des traitements de données complexes.

George Smoot, prix Nobel de physique 2006, donne sa leçon inaugurale au PCCP. Le PCCP est une structure du laboratoire APC, créée comme lieu de recherche, d’éducation et d’échanges scientifiques dans les domaines de la cosmologie et de la physique de l’Univers.

Programme de recherche dédié au développement de projets interdisciplinaires dans les domaines des sciences de la Terre et de la physique de l’Univers, dont le laboratoire APC est l'un des principaux partenaires.

Suggérant une valeur non nulle de θ13 dans les expériences neutrino auprès des réacteurs nucléaires. L’APC, conjointement avec l'équipe du CEA, a joué un rôle-clé dans l’expérience, notamment par le développement de l'électronique de lecture des photomultiplicateurs, de l'installation des enceintes externes et du veto du détecteur lointain, ainsi que dans l’analyse des données.

Le groupe théorie a joué un rôle pionnier en gravitation modifiée de type scalaire-tenseur, tout d’abord en redécouvrant les théories de Horndeski sous une autre forme « galiléons », puis en construisant des théories « au-delà de Horndeski » et, enfin, en obtenant le cadre le plus général des théories avec un seul degré de liberté scalaire : les théories « Degenerate Higher-Order Scalar-Tensor ».

Projet scientifique et pédagogique de nanosatellite principalement conçu par les étudiants (300 étudiants sur10 ans). Sa mission est double : étudier le contenu électronique de l'ionosphère par occultation radio afin de suivre l'activité solaire ainsi que les ondes de gravité lors d’événements telluriques, et détecter les électrons et les rayons gamma au niveau des pôles et de l’anomalie magnétique de l’Atlantique Sud. Le lancement du satellite est prévu en 2022.

Le télescope Euclid est destiné à étudier l'énergie noire. Le laboratoire APC est fortement impliqué dans le segment sol (plateforme de développement collaborative CODEEN). Son lancement est prévu en 2022.

Les résultats phares sont une carte du fond diffus cosmologique (CMB) et des mesures précises de plusieurs paramètres cosmologiques. Le laboratoire APC a contribué à ce résultat par l'analyse des données du satellite et par le développement d'outils spécifiques pour la construction des cartes du CMB.

Ils comportent notamment la détection d'émissions gamma provenant de la supernova 2014J, qui a impliqué des chercheurs de l'APC. Ces derniers ont également contribué à de notables découvertes au sein de la collaboration, dont les résultats sur les contraintes sur la violation d’invariance de Lorentz à partir du GRB 041219A (2011), l’émission du trou noir de Cygnus-X1 (2011) ou encore le catalogue IBIS-ISGRI de l’émission soft-gamma (2007).

Expérience visant à étudier les modes B de la polarisation du fond diffus cosmologique. Elle est située sur un site en haute altitude au nord du Chili.

Il a pour objectif de détecter les sursauts gamma avec un lancement prévu pour 2022 en Chine. Le laboratoire APC participe au développement du modèle de vol du masque codé du télescope gamma ECLAIRs (livré en février 2021), et au pipeline scientifique de traitement de données.

JEM-EUSO désigne le futur télescope UV pour la détection de rayons cosmiques d’ultra-haute énergie à bord de la station spatiale internationale. L'APC a assumé la direction de EUSO-BALLON, mission mise en œuvre par le CNES. D'autres tests effectués en ballon ont également eu lieu en 2017 et en 2019.

Ce résultat confirme l’importance du cycle de réactions nucléaires appelé « proton-proton » dans la production d’énergie de notre étoile. En juin 2020, l’expérience Borexino a également observé pour la première fois les neutrinos solaires du cycle de réactions nucléaires appelé « CNO », source d’environ 2% de l’énergie produite par le Soleil.

Projet d'observatoire à rayons X dont le lancement est prévu en 2031. Le laboratoire APC contribue à la mission avec la prise en charge du développement de l'électronique de la chaîne de détection multiplexée de l'instrument X-IFU. Cette mission reprend en partie le projet SIMBOL-X sur lequel le laboratoire a participé, avant son arrêt par le CNES, en 2009.

Expériences américaine et européenne de détection d'ondes gravitationnelles par interférométrie laser. Des membres du laboratoire APC ont été sollicités pour le comité de rédaction de la publication de ce résultat, qui inclut 10 co-auteurs issus du laboratoire. Le prix Nobel de physique de 2017 viendra récompenser cette découverte.

En collaboration avec George Smoot. Cette série de cours sur la gravitation et les ondes gravitationnelles a eu un succès international sur la toile et a touché des milliers d'internautes. Pour accompagner ce MOOC un ouvrage intitulé À la poursuite des ondes gravitationnelles a été publié quelques mois après l'annonce de la première découverte des ondes gravitationnelles.

Projet d'observatoire de neutrinos de très haute énergie en mer Méditerranée. Le laboratoire APC, déjà largement impliqué dans la mission ANTARES, prédécesseur de KM3NeT, contribue également au développement d'ORCA, sous-détecteur de KM3NeT consacré à l'étude des propriétés fondamentales des neutrinos.

Suite au lancement effectué en décembre 2015, les résultats obtenus dépassent largement les objectifs du cahier des charges et conduisent à l'adoption de la mission LISA par l'ESA et à la création du LISA Consortium. Un membre de l’APC est le "Principal Investigator" (France) auprès du Consortium LISA. L’APC est également responsable du segment sol de la mission et des activités AIT/AIV pour l'assemblage des instruments sur les satellites.

Amélioration en sensibilité du télescope Virgo initial dont les bancs d’injection, de détection, de bout-de-bras et de pick-off ont été développés par le laboratoire APC. Les détections de plusieurs événements d'ondes gravitationnelles au cours des mois suivants viennent confirmer l'avènement de "l'astronomie gravitationnelle".

Une fusion d'étoiles à neutrons observée simultanément en ondes gravitationnelles, rayons gamma et neutrinos. La publication compte 34 co-auteurs issus du laboratoire APC, dont des membres des collaborations Virgo, ANTARES, HESS et INTEGRAL.

Successeur de H.E.S.S., le projet CTA, de réseau de télescopes Tcherenkov pour la détection de rayons gamma d'origine cosmique. L'APC a joué un rôle très actif dans la rédaction de ce document, qui décrit l'ensemble des missions scientifiques qui seront menées par CTA.

Bilan de quinze années d'observations en rayons gamma de la Voie Lactée. Quatorze articles ont été publiés, soit le plus vaste ensemble de résultats scientifiques dans ce domaine. Ce résultat est l'aboutissement des nombreuses observations de H.E.S.S., dont celles d'une source PeVatron au centre de notre Galaxie (en 2016) ou d'une émission du pulsar de Vela (en 2017), découvertes dans lesquelles le laboratoire APC a été très impliqué.

Le détecteur DarkSide publie la meilleure limite d'exclusion dans la recherche de matière noire de faible masse. Démonstration que les détecteurs à argon liquide peuvent opérer dans la recherche de WIMPs. L'APC a eu un rôle moteur dans l'analyse des données.

Fondateur et premier directeur du laboratoire APC (de 2005 à 2013).

Le prototype installé au CERN, du détecteur géant de neutrinos DUNE, dont le démarrage est prévu d’ici 2026 au Fermilab, près de Chicago. Le laboratoire APC a été impliqué dans le développement du prototype du détecteur géant de neutrinos DUNE et des tests au CERN. Le démarrage de DUNE est prévu d’ici 2026 au Fermilab, près de Chicago.

Version miniature de JEM-EUSO destiné à l'observation des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie.

Le changeur de filtres, construit en France par plusieurs laboratoires de l'IN2P3, est à destination du télescope géant (anciennement LSST) en cours de construction au Chili. L'APC était chargé du développement du logiciel de commande du changeur de filtre.

Cet événement marque la concrétisation de dix années d’implication des services techniques de l’APC, dont les différents corps de métier ont développé l’instrument complet, couvrant toutes les phases d’un projet spatial et se forgeant ainsi aux nombreuses expertises qui y sont liées. Malheureusement le 17 novembre 2020, au cours du lancement, une dégradation de trajectoire de la fusée Vega entraînera la perte du satellite.

Interféromètre bolométrique destiné à mesurer la polarisation du fond diffus cosmologique, dont l'intégration a été effectuée à l'APC. L'APC a également contribué à la validation de la chaîne de détection cryogénique multiplexée des SQUIDs. QUBIC poursuit les efforts du projet précurseur BRAIN.