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Astroparticules et neutrinos

 

Domaine émergent, les Astroparticules se trouvent au point de rencontre de l’infiniment grand et de l’infiniment petit, de l’astrophysique et de la physique des particules. Trois domaines en particulier permettent aujourd’hui aux chercheurs d’explorer l’Univers, pour mieux comprendre son histoire et ses origines :

  • La cosmologie permet de confronter les théories de l’infiniment petit à l’Univers primordial : toute nouvelle découverte en physique des particules a une application immédiate pour la compréhension de l’Univers et réciproquement, les découvertes en cosmologie ont des conséquences fondamentales sur les théories de l’infiniment petit.
  • Les rayons cosmiques, ont constitué jusqu’aux années cinquante la principale source des progrès réalisés dans la connaissance de la structure intime et des lois de la matière. L’avènement des grands accélérateurs a permis des progrès remarquables en raison de l’intensité et de la nature des faisceaux de particules produits. Aujourd’hui, un retour s’opère vers l’étude des rayons cosmiques : Les chercheurs disposent maintenant de détecteurs au sol ou dans l’espace qui vont leur permettre d’accéder à des phénomènes d’énergies incomparablement plus élevées que celles fournies par les accélérateurs.
  • Les neutrinos, ces particules non chargées et de masse infinitésimale, susceptibles de traverser la Terre de part en part sans interagir avec la matière, sont encore bien mystérieux. Ils nous viennent du cosmos, du Soleil, de l’atmosphère. L’astronomie des neutrinos apportera des informations essentielles tant en astrophysique et cosmologie qu’en physique des particules car leur nature et leur masse ont des implications dans les modèles actuels.

 

Une nouvelle astronomie

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Le développement du domaine des astroparticules est en train d’engendrer une nouvelle astronomie, qui utilise de nouveaux messagers : rayons cosmiques de très hautes énergies, neutrinos, ondes gravitationnelles... Pour la première fois, la lumière n’est plus le seul messager des objets dans l’Univers et le croisement des observations de ces différentes astronomies permettra de mieux appréhender les phénomènes cosmiques de haute énergie dans l’Univers et de répertorier les événements violents qui en sont la source, que ce soit grâce à des expériences au sol ou des projets spatiaux.

 

L'essor du spatial

Si l’Univers est devenu un laboratoire pour les physiciens de l’infiniment petit, les satellites sont pour eux un moyen exceptionnel d’aller visiter l’Espace. En liaison avec le Centre national d’études spatiales, plusieurs expériences spatiales sont en cours ou en préparation. Ainsi, l’IN2P3 participe à divers projets de ce type : Planck héberge une expérience de mesure du rayonnement de fond cosmologique; les physiciens étudient les neutrinos solaires à bord d’Integral ; AMS est un spectromètre qui, dans la station spatiale internationale, tente de mettre en évidence l’existence d’antimatière dans l’Espace, tandis que Fermi, comme Hess, s’intéressent aux rayons cosmiques, mais couvrent un domaine de plus basse énergie, ce que ne pourra réaliser le détecteur au sol qui n’observe qu’un petit secteur du ciel. Snap enfin, s’intéressera aux supernovae lointaines.

 

Les domaines de recherche

 

Les rayons cosmiques de haute énergie

D’où viennent les rayons cosmiques de haute énergie ? C’est à cette question que tentent de répondre plusieurs expériences :

  • Hess (High energy stereoscopic system) : une expérience de détection au sol des rayons gamma de très haute énergie (au-delà de 100 GeV) en Namibie. Avec son réseau de cinq télescopes (4 télescopes de 12 m de diamètre et un grand télescope central de 28 m de diamètre), qui forment actuellement le détecteur de gamma de très haute énergie le plus sensible au monde, elle devrait apporter des informations précieuses sur certains des phénomènes les plus violents de l’Univers austral (supernovæ, noyaux actifs de galaxie, etc.).
  • Auger (l’Observatoire Pierre Auger) : une expérience de détection et d'étude des rayons cosmiques d’énergie extrême (supérieure à 1019eV), qui réunit une très large collaboration internationale, est constitué de plus de 1 600 détecteurs sur une surface de 3 000 km2 dans la pampa argentine. L’ensemble a déjà accumulé une abondante moisson de données, dont certaines ont donné lieu à la première publication scientifique majeure sur l’origine des rayons cosmiques d’ultra haute énergie : les chercheurs de la collaboration Pierre Auger ont démontré l’origine extragalactique des rayons cosmiques d’énergie extrême qui bombardent la Terre. Ils ont découvert que les rayons cosmiques d’énergie extrême observés pointent vers les positions des noyaux actifs de galaxies les plus proches, à moins de quelques centaines de millions d’années lumière de la Terre.
  • AMS (Anti-matter in space ou Alpha magnetic spectrometer experiment) : une expérience de recherche de matière noire et d’antimatière dans l’Univers et d’étude des rayons cosmiques à des énergies intermédiaires qui sera installée sur la station spatiale internationale (ISS).image
  • Antares (Astronomy with a neutrino telescope and abyss environmental research) : une expérience dédiée à la détection et à l’étude des neutrinos cosmiques de très haute énergie à l’aide d’un télescope sous-marin immergé en Méditerranée par 2 400 m de fond, au sud de l’île de Porquerolles (Var).
  • Codalema : projet pour la détection radio des gerbes cosmiques de grande énergie.
  • Fermi : télescope d’observation sur satellite dédiée à la recherche de sources cosmiques de rayonnement gamma (de 10 MeV à 100 GeV) et lancé par la Nasa mi-2008.

 

Les neutrinos et leurs propriétés

Les neutrinos, ces particules non chargées et de masse infinitésimale restent encore très mystérieuses. Nous nous posons encore des questions à leurs sujets C’est pour y répondre que les physiciens de l’IN2P3 participent aux trois expériences suivantes :

  • Double Chooz : une expérience d'observation des neutrinos du réacteur nucléaire de Chooz (commune des Ardennes), dans le but de mieux connaître une propriété fondamentale des neutrinos, leur "oscillation".
  • Nemo (Neutrino Ettore Majorana observatory) : une expérience dédiée à la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrinos, qui prouverait à la fois la nature Majorana du neutrino (neutrino et antineutrino ne seraient qu'une seule et même particule) et le fait qu'il a une masse non nulle. Cette expérience est installée sous le tunnel du Fréjus au Laboratoire souterrain de Modane.
  • Opera (Oscillation project with emulsion tracking apparatus) : une expérience située dans le tunnel du Gran Sasso visant à étudier l'oscillation (changement de saveur) des neutrinos grâce à un faisceau de neutrinos en provenance du Cern et dirigé vers le laboraoire du Gran Sasso en italie.

 

Les ondes gravitationnelles

Dans sa théorie de la relativité générale, Einstein prédisait l’existence d’ondes gravitationnelles. Celles-ci n’ont encore jamais été détectées directement. C’est l’objectif que s’est fixé l’expérience francoitalienne Virgo: au voisinage de Pise, on construit actuellement une antenne interférométrique composée de deux bras orthogonaux de 3 km de long, une petite merveille de technologie qui permettra de mesurer un rapport de distances de 10-21, la distance de la Terre au Soleil mesurée à une précision de la dimension d’un atome! Une variation relative de cet ordre de grandeur entre les distances parcourues dans les deux bras de l’interféromètre signerait l’existence de ces ondes gravitationnelles.

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  • Virgo : expérience de détection au sol des ondes gravitationnelles, à l'aide d'un grand interféromètre ultrasensible implanté à Cascina en Italie, visant à recueillir des informations directes sur les événements violents de l'Univers (effondrements d'étoiles ou de trous noirs doubles), ainsi que sur les premiers instants de l'Univers.
  • Lisa (Laser interferometer space antenna) : projet d'expérience conjointe ESA/Nasa de détection dans l'Espace des ondes gravitationnelles, à l'aide d'un interféromètre constitué de trois vaisseaux voguant dans l'Espace au sommet d'un triangle équilatéral.

 

Matière noire et énergie sombre

Au moins 90 % de la matière qui compose l’Univers n’est pas visible. De quoi est-elle composée ? Différentes pistes sont actuellement explorées : les expériences Eros – laquelle se déroule à l’observatoire européen austral à La Silla au Chili – et Agape tentent de mettre en évidence l’existence d’étoiles naines, trop petites pour être lumineuses, mais qui participeraient à cette masse de l’Univers. Autre piste : celle étudiée par l’expérience Edelweiss qui, à l’abri du rayonnement cosmique dans le Laboratoire souterrain de Modane, tente de déceler des particules massives faiblement interactives, les Wimps. En outre, l’étude des supernovae lointaines indique, en plus de la présence de matière noire, la nécessité d’une nouvelle forme d’énergie noire ou énergie du vide. Enfin, l’étude des anisotropies du fond de rayonnement cosmologique à 2,7 K permettra de mieux comprendre les origines et l’évolution de l’Univers.

  • Edelweiss : une expérience dédiée à la recherche des particules supersymétriques appelées Wimps (pour Weakly interacting massive particles), qui pourraient expliquer en partie la nature de la matière noire de l'Univers. Cette expérience est installée sous le tunnel du Fréjus au Laboratoire souterrain de Modane.
  • Planck : un satellite de l’ESA dont l'objectif est de mesurer avec une grande précision les anisotropies du rayonnement de fond cosmologique sur tout le ciel.
  • SCP (Supernova cosmology project) : expérience de détection et suivi de supernovæ Ia lointaines a l'aide de mesures réalisées au sol et depuis l'Espace avec le telescope spatial Hubble.
  • SNLS (Supernova legacy survey) : programme de recherche et de mesure de supernovæ Ia lointaines dans le but de caractériser l’énergie noire, auprès du télescope Canada-France Hawaii (CFHT).
  • Supernova Factory : expérience de mesures spectrophotométriques de supernovæ Ia proches à l'aide du spectromètre intégral de champ (Snifs).
  • Snap (Supernova acceleration probe) : projet de télescope spatial grand champ de mesure des paramètres cosmologiques à l'aide de supernovæ Ia lointaines.
  • Dune (the Dark universe explorer) : projet spatial pour l'exploration de la matière noire et de l'énergie noire.

 

L'astrophysique nucléaire

La collecte de micrométéorites permet d'étudier ces grains de poussière interplanétaire, de taille inférieure à 0,5 millimètres, objets les plus primitifs du système solaire qui se déposent chaque jour sur la Terre, afin de comprendre comment notre étoile et son cortège de planètes se sont formées il y a 4,5 milliards d’années.

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