Département de Physique des Particules

La collaboration GBAR regroupe 50 membres de 15 laboratoires dans le but de mesurer l’accélération gravitationnelle des atomes d’antihydrogène. Elle vise une installation au CERN débutant en 2015 pour une prise de données avec un faisceau d’antiprotons en 2017.
 

Le groupe du SPP est à l’origine de ce projet. Il a développé une source de positons de haute intensité, basée sur un accélérateur d’électrons, et a réussi à stocker ces positions dans un piège de Penning.

La collaboration H.E.S.S. comprend plus de 170 scientifiques de 32 laboratoires dans douze pays. Depuis 2002 quatre télescopes de 12m, installés en Namibie, sont en service pour observer la lumière Cherenkov produite par l’interaction des photons gamma dans l’atmosphère. Depuis 2012 un cinquième télescope de 28m complète le dispositif (HESS-2). Les observations de HESS ont permis de mettre en évidence plus d’une centaine de sources de gamma. Le projet CTA, qui prévoit un réseau d’une centaine de télescopes dans l’hémisphère sud et d’une trentaine de télescopes dans l’hémisphère nord, de 6, 12 et 24 m de diamètre, est en cours de préparation.

Le groupe du SPP a contribué au déclenchement du niveau 2 de HESS-2 et se concentre sur la recherche indirecte de matière noire ou de particules exotiques dans les spectres des objets observés. Pour CTA, l’Irfu participe et coordonne le développement d’une caméra pour les télescopes de taille moyenne et au développement des miroirs.
 

La collaboration Atlas rassemble près de 3 000 physiciens, issus de 174 laboratoires provenant de 38 pays. L’expérience Atlas est installée auprès du collisionneur LHC au CERN. Elle a pris des données issues de collisions proton-proton à 7 TeV en 2010 et 2011, puis à 8 TeV en 2012, ayant conduit à la découverte du boson de Higgs.  Le Run 2 du LHC, qui a débuté en 2015 à une énergie de 13 TeV, est en cours jusqu'à fin 2018.

Le groupe de l’Irfu a participé à la construction du spectromètre à muons et du calorimètre électromagnétique à argon liquide. Il est actif dans l’analyse des données : propriétés du boson de Higgs, tests du modèle standard et recherche de physique au-delà du modèle standard. Il participe également à l’amélioration du détecteur pour la phase à haute luminosité, en particulier sur un nouveau détecteur à muons vers l’avant et le déclenchement du calorimètre électromagnétique.

La collaboration CMS regroupe plus de 2 500 physiciens, issus de 180 laboratoires provenant de 43 pays. L’expérience CMS est installée auprès du collisionneur LHC au CERN. Elle a pris des données issues de collisions proton-proton à 7 TeV en 2010 et 2011, puis à 8 TeV en 2012, ayant conduit à la découverte du boson de Higgs. Le Run 2 du LHC a débuté depuis 2015 à une énergie de 13 TeV. CMS a enregistré autant de données en 2016 qu'au cours de l'ensemble du Run 1.

Les ingénieurs de l'Irfu ont conçu l'aimant de CMS, qui est le plus grand aimant solénoidal supraconducteur du monde : 6 m de diamètre, 12 m de long, assurant un champ homogène uniforme de 3.8 T, soit plus de 2 GJ d'énergie magnétique stockée.   

Le groupe de l’Irfu a participé à la construction du calorimètre électromagnétique et en particulier du système de monitorage de la transparence des cristaux. Il est actif dans l’analyse des données : étude du modèle standard et recherche du boson de Higgs standard ou non-standard.

Les activités en cosmologie du DPhP utilisent différentes sondes pour contraindre le contenu énergétique de l’univers : les oscillations baryoniques acoustiques (BAO) avec une participation aux projets BOSS, e-BOSS et DESi ; l’étude des supernovæ type IA au sein du projet SNLS et l’étude des amas de galaxies avec les données du satellite Planck.

Les études de BAO utilisent des quasars, qui permettent d’explorer les régions éloignées (décalage vers le rouge entre 1 et 3), en regardant les spectres Lyman-α, qui tracent la matière intergalactique traversée par la lumière émise. Le projet BOSS de SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey) vient d’achever sa prise des données, pour permettre à e-BOSS  de SDSS-IV de démarrer. Le projet DESi, qui devrait débuter la prise de données vers 2020 est en cours de préparation avec le développement de cryostats pour les spectromètres à l’Irfu.

Les activités sur SNLS comprennent l’étude photométrique des supernovae et la recherche de galiléon en commun avec le groupe CMS.

Sur les données de Planck, le DPhP a la responsabilité d’établir le catalogue des amas de galaxie, un travail en étroite collaboration avec le SAp et l’APC.

L’International Linear Collider (ILC) est l’un des grands projets considérés pour le futur de la physique des particules et l'exploration détaillée du domaine de la brisure spontanée de la symétrie électrofaible.   

ILC désigne un collisionneur électron-positon linéaire qui sera localisé au Japon, et dont le programme de physique couvrira plusieurs décennies à partir des années 30.  Dans une première phase, l'ILC fonctionnera à 250 GeV d'énergie, pour l'étude précise des propriétés du boson de Higgs produit en association avec un boson Z.  Dans des phases ultérieures, l'énergie sera portée à 360 GeV pour l'étude du quark top au seuil de production par paire, puis à 500 GeV et au-delà, pour l'étude de la production du boson de Higgs par fusion de bosons vecteurs et la production par paires de bosons de Higgs.  L'ILC présente un fort potentiel de découverte et d'étude de la physique au-delà du Modèle standard, complémentaire de celui du HL-LHC.  

Dans les quinze dernières années, les ingénieurs de l'Irfu ont joué un rôle majeur dans le choix de la technologie d'accélération cryogénique pour l'ILC.  Dans le cadre du projet XFEL à DESI en Allemagne, l'Irfu et ses partenaires ont récemment apporté la preuve de principe de la production et de l'assemblage d'un grand nombre de cryo-modules présentant les propriétés de champs accélérateurs requises pour un ILC (au-delà de 25 MV/m).

La detector R&D menée à l’Irfu pour une future expérience (ILD) auprès de l’ILC se focalise sur un trajectomètre TPC (chambre à projection temporelle) avec une lecture par des détecteurs gazeux de type micromegas. Des tests en faisceau sont réalisés depuis 2008 à l’aide d’un grand prototype (voir figure). 

La collaboration RD51 au CERN, dans laquelle les physiciens de l'Irfu occupent des postes de responsabilité, organise les efforts de R&D autour du développement de la technologie des détecteurs gazeux à micro-structure (MPGD) dans répondre aux besoins des détecteurs de physique des particules auprès des futurs collisionneurs.

La collaboration T2K regroupe environ 500 physiciens, issus de 59 laboratoires provenant de 11 pays. T2K est une expérience neutrino à longue ligne de base hors d'axe qui étudie les oscillations de neutrinos à partir d’un faisceau de neutrinos muoniques produit à J-Parc au Japon, mesuré à courte distance (280 m) par le détecteur proche ND280 et à longue distance (295 km) par le détecteur lointain Super Kamiokande. La prise des données a commencé en fin 2009 et va se poursuivre jusqu’à l’horizon 2020.

Le groupe de l’Irfu a participé à la construction de la TPC du détecteur proche et est engagé dans l’analyse des données avec les détecteurs proche et lointain. Le groupe s'intéresse notamment à des mesures précises des sections efficaces d'interaction des neutrinos sur différentes cibles, dans le but de diminuer les incertitudes systématiques dans les mesures de paramètres d'oscillation.  Après s'être intéressé à la prochaine génération d’expériences à longue ligne de base dans le cadre de du projet européen LAGUNA-LBNO, le groupe participe à la construction du prototype de détecteur diphasique à argon liquide WA105 au CERN dans le but de valider cette technologie pour le détecteur lointain du projet longue ligne de base DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) aux Etats-Unis. 

Le groupe envisage de s'engager dans une nouvelle phase de l'expérience T2K, avec un faisceau plus intense de neutrinos de J-Parc vers Super Kamiokande, et des détecteurs proches plus performants. Le groupe conserve des liens étroits avec le projet Hyper Kamiokande, un détecteur Cherenkov à eau à l'échelle de la mégatonne qui devrait succéder à Super Kamiokande et permettre une mesure de la violation de CP dans le secteur des neutrinos à partir d'un faisceau de J-PARC.

La collaboration Double Chooz regroupe environ 160 physiciens et ingénieurs de 38 laboratoires dans 8 pays. Installée auprès de la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes, cette expérience étudie les oscillations des neutrinos à partir du flux d’antineutrinos électronique émis par les deux réacteurs centrale. Comparée aux expériences de neutrinos sur réacteurs antérieures, Double Chooz utilise pour les mesures un détecteur lointain à environ 1 km du cœur de la centrale et un détecteur proche à 400 m. Les premiers résultats sur la mesure de l’angle θ₁₃ ont été présentés en novembre 2011 avec le détecteur lointain uniquement. En 2016, la collaboration a présenté de nouveaux résultats s'appuyant cette fois sur l'analyses des données des deux détecteurs. La comparaison des taux et des spectres en énergie des antineutrinos électroniques enregistrés dans les deux détecteurs, qui sont aussi identiques que possible et localisés à des distances différente du coeur des réacteurs, permet de réduire les incertitudes systématiques sur le paramètre sin²(2θ₁₃) qui gouverne le phénomène d'oscillation de la saveur électronique vers une autre saveur à courte distance.  La valeur obtenue est significativement différente de zéro avec une précision relative de l'ordre de 15%, en accord avec la résultat plus précis encore de l'expérience Daya Bay.  Le fait que l'angle θ₁₃ ait pu être mesuré non nul, et avec une telle précision, est l'un des résultats les plus marquants de ces dernières années en physique des neutrinos. 

Par ailleurs, Double Chooz a produit une mesure de la section efficace des antineutrinos réacteur, indépendamment du phénomène d'oscillation, avec une précision de 1.2%. Cette mesure est importante pour la compréhension de l’anomalie des antineutrinos de réacteur, mise en évidence par les physiciens de l’Irfu en 2011.  L'anomalie des antineutrinos réacteur désigne un déficit systématique du flux mesuré d'antineutrinos par rapport au flux calculé dans le cadre des modèles les plus sophistiqués de production d'antineutrinos dans les réacteurs.  L'une des hypothèses proposées pour résoudre cette anomalie est l’existence d'une quatrième saveur de neutrinos stériles.

Le groupe de l’Irfu  est à l’origine de l’expérience, il a assuré la coordination technique et a pris en charge la conception et la construction des différentes enceintes. Il a mis en place la mesure de la masse des liquides utilisés et les tests de compatibilité des matériaux. Les physiciens du SPP jouent également un rôle important dans l’analyse des données. 

Le démantèlement de l'expérience prendra place en 2018.

L’expérience Nucifer auprès du réacteur de recherche Osiris à Saclay était issue des développements pour Double Chooz avec le but de suivre le cycle du combustible dans les cœurs de réacteurs à partir des mesures du flux d’antineutrinos et ainsi procurer un outil à la surveillance des centrales nucléaires dans le cadre de la non-prolifération.  Les techniques de mesure des flux d'antineutrinos, très proche du coeur d'un réacteur, menées dans Nucifer ont permis d'affiner les analyses de données de Double Chooz.

L'expérience CeSOX consiste à placer une source radioactive intense de Cérium 144 appelée CeANG (pour Cerium Antineutrino Generator) sous le détecteur de neutrinos Borexino au laboratoire du Gran Sasso à proximité de L'Aquila en Italie. La source CeANG est en cours de production par l'entreprise P. A. Mayak en Russie et sera livrée début 2018. L'objectif scientifique de CeSOX est de mettre en évidence l'existence d'une quatrième saveur de neutrino susceptible de rendre compte de l'anomalie réacteur (voir ci-dessus), ou d'en exclure l'existence dans une région pertinente de l'espace des paramètres.

Le projet CaLIPSO vise une application médicale pour un nouveau concept de tomographie à émission de positons (PET) à haute résolution spatiale basé sur un calorimètre à liquide organométallique associé à une électronique ultra-rapide. Le développement d’un tel détecteur se poursuit à l'Irfu depuis 2009, avec des avancées très prometteuses.