Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Une équipe commune du service de physique nucléaire (SPhN) et du service d'Electronique des Détecteurs et d'Informatique (Sedi)  de l'Irfu a récemment conçu et testé avec succès un prototype de détecteur gazeux Micromegas doté d’une technique innovante de multiplexage permettant de réduire notablement le nombre de voies d'électronique tout en conservant une excellente résolution spatiale. Ce premier prototype Micromegas de 50x50 cm² est équipé de 1024 pistes mais seulement de 61 voies d’électronique. Ce multiplexage qui a fait l’objet d’un dépôt de brevet permet de diminuer le coût des détecteurs et ouvre la voie à de nombreuses applications en dosimétrie, imagerie médicale et en physique des particules.
 

En comparant les récentes observations d'Herschel à des simulations numériques, une équipe de chercheurs du Service d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu a reconstruit la transformation d'un filament interstellaire en une nébuleuse de forme symétrique dite nébuleuse bipolaire, sous l'effet du rayonnement UV des étoiles. Les étoiles les plus massives produisent un fort rayonnement ultraviolet, qui en se propageant affecte leur environnement. Ces travaux démontrent que ce phénomène destructeur commence dès la naissance des étoiles dans les nuages moléculaires géants en modifiant leur structure filamentaire. Ces résultats illustrant l'effet rétroactif des étoiles massives sur leur nuage originel, sont publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics de février 2013.

Vela C, un nuage moléculaire presque comme les autres

Les étoiles naissent dans d'immenses réservoirs de gaz et de poussière: les nuages moléculaires. Mais tout cela se fait à l'abri des regards, invisible à nos yeux car ces nuages n'émettent pas de lumière visible. Néanmoins, la matière les constituant rayonne fortement dans l'infrarouge lointain et le "submillimétrique", à des longueurs d'onde entre 60 et 500 micromètres. Ce domaine de longueurs d'onde est celui de l'observatoire spatial Herschel qui a permis une découverte spectaculaire. Grâce à Herschel, une chose est désormas claire: tous ces nuages moléculaires sont structurés en réseaux de filaments, zones privilégiées de formation des étoiles.
Néanmoins, les images 2D produites à partir des observations ne permettent pas de comprendre la forme de ces filaments. Ils sont souvent imaginés comme des cylindres déformés ou de longues trainées nébuleuses de gaz mais en réalité nous ne voyons sur ces cartes 2D qu'une projection de formes en 3D complexes.

Vela C est un de ces nuages moléculaires géants de notre galaxie qui n'échappe pas à la règle. Situé dans la direction de la constellation des Voiles (Vela), Vela C est éloigné de nous de 2100 années-lumière. Il a été observé par l'observatoire spatial Herschel dans le cadre du programme clé HOBYS qui a fourni une cartographie précise du nuage moléculaire, de son squelette de filaments interstellaires, et des cocons d'étoiles à naitre.

Après l’accord international en juillet 2012 permettant au projet CTA (Cherenkov Telescope Array) d’entrer en phase de pré-construction, ce dernier vient de passer avec succès, les 7 et 8 février, la première des trois revues qui mèneront à la décision ferme de sa construction. Cette revue examinait les objectifs scientifiques et les concepts techniques du projet.

Ce projet international regroupant 27 pays sera composé de 2 sites d’observation, un dans l’hémisphère sud, un dans l’hémisphère nord. Ce nouvel observatoire comprendra plusieurs dizaines de télescopes dédiés à l'astronomie gamma de très haute énergie et vise à améliorer la sensibilité d'un ordre de grandeur par rapport aux télescopes de la génération actuelle tels que HESS, MAGIC et VERITAS.

Au-delà des résultats garantis en astrophysique des hautes énergies, CTA a un potentiel de découverte dans des domaines clés de l’astrophysique et la physique fondamentale. Parmi eux se trouvent l’origine des rayons cosmiques et leur impact dans l’Univers, la nature des processus d’accélération de particules dans l’Univers, en particulier au voisinage des trous noirs, et l’exploration de la nature ultime de la matière et de la physique au delà du Modèle Standard. Dans la phase de pré-construction, l’irfu est impliqué dans trois éléments opérationnels importants : les miroirs et les caméras des télescopes moyens et le développement des logiciels d’analyse des données.

Le comité de revue, composé de membres extérieurs au projet, a pu confirmer l’importance des enjeux scientifiques, et apprécier l’ampleur et la qualité du travail fourni. Ceci lui a permis de valider cette première étape et de donner rendez-vous au projet en automne 2013 pour la seconde revue qui examinera, au delà des concepts, la façon dont CTA sera construit. Une dernière revue, qui se tiendra en 2014, validera tous les détails nécessaires au démarrage de la construction de CTA, qui pourrait avoir lieu dès 2015. Les observations du ciel avec les premiers télescopes sont alors attendues en 2017, et l’observatoire sera pleinement fonctionnel en 2019.

Les physiciens du SPP ont utilisé les données de l'expérience EDELWEISS-II, initialement conçue pour la recherche de WIMPs, des particules candidates pour la matière noire, afin de tenter de mettre en évidence l'existence des axions. Ces particules hypothétiques peuvent expliquer certaines propriétés de l'interaction forte. Les contraintes obtenues par EDELWEISS excluent une large gamme de modèles d'axions et démontrent les performances des bolomètres pour la recherche d'événements rares.

Le faisceau de positons développé à l’Irfu pour l’expérience GBAR vient de produire ses premiers lots de positronium, une étape importante pour la collaboration GBAR qui vise à produire des atomes d'antihydrogène et à mesurer leur chute libre pour comprendre comment la gravitation agit sur l'antimatièrere.

Produire du positronium est une étape indispensable au projet. Ceci a été possible grace à la mise au point d'une source intense de positons, ce qui interesse plusieurs domaines industriels de pointe. Une start-up est en cours de montage pour exploiter ce concept.

Le projet E-XFEL est une source de lumière dite de 4ème génération qui produira des flash-laser extrêmement brillants (~ 1033 photons/s/mm2/mrad2) et ultra-courts (~100 fs) de rayons X jusqu’à 1 Å de longueur d’onde. Le but est de micro-photographier des processus physiques, chimiques ou biologiques afin d’en révéler la cinétique avec une exposition lumineuse jamais atteinte.

A la base de cet instrument se trouve un accélérateur linéaire supraconducteur à électrons de 17,5 GeV et 1,7 km de long dont la construction est prise en charge par un consortium d’instituts européens, basés principalement en Allemagne (DESY), France (CEA, IN2P3), Italie (INFN), Espagne (CIEMAT), Suisse (PSI), Pologne (NCBJ) et Russie (BINP, IHEP). Sa mise en service est prévue en 2015 et la fourniture des premiers faisceaux pour utilisateurs en 2016.

Le spectromètre AGATA (Advanced Gamma Tracking Array) est un spectromètre gamma de nouvelle génération qui permettra de percer les mystères de la structure nucléaire. Il sera à terme composé de 180 cristaux de germanium de très grande pureté. L’Irfu joue un rôle crucial dans la définition des programmes de physique, le management du projet et la construction du spectromètre. L’année 2012 a été une année charnière. Elle a été le témoin de la validation des avancées technologiques mises en place sur le projet, a permis le déménagement du détecteur de Legnaro (Italie) à GSI (Allemagne) pour la réalisation d’une deuxième campagne de physique  et a été une année de référence pour la publication de nombreux articles.

En reproduisant des conditions comparables à celles qui régnaient dans les premiers instants de l’Univers, on s’attend à créer un nouvel état de la matière, le plasma de quarks et de gluons. Ces conditions extrêmes de température et de densité d’énergie sont réunies lors des interactions d’ions lourds au LHC. Très dense et très chaud, le milieu formé est réduit à  une « soupe » où ne figurent que les constituants les plus élémentaires de la matière, un plasma de quarks et de gluons (QGP). L’Univers serait passé par cette phase quelques microsecondes après le Big Bang. ALICE avait déjà révélé l’existence de mouvements collectifs au sein du plasma, des particules légères s'entraînant les unes les autres dans une direction privilégiée. L’énergie atteinte dans les collisions d’ions plomb au LHC est telle que des particules très massives (comme les quarks charmés composant les J/psi) peuvent être entrainées et produire ainsi un taux de J/psi plus important dans la direction d'écoulement du plasma. C'est ce flot qui vient d’être observé par la Collaboration ALICE!

Les neutrinos sont des particules qui interagissent très peu avec la matière. Émis dans les cataclysmes les plus violents de l’Univers, ils pourraient permettre de prouver que ces phénomènes sont aussi à l’origine du rayonnement cosmique, essentiellement des protons, qui bombardent la Terre en permanence. La détection des neutrinos est un défi qu’il n’est possible de relever qu’avec d’immenses détecteurs, protégés de ce même rayonnement cosmique. Antares, installé à 40 km au large de Toulon, s’en protège grâce à un blindage naturel de 2000 mètres d’eau. La lumière produite par le passage des particules est observée par 885 « yeux » répartis dans un volume couvrant quatre fois la surface d’un terrain de football, et aussi haut que la tour Eiffel. Antares, dont l’installation s’est achevée en 2008, observe entre 5 et 10 neutrinos par jour, un taux compatible avec le fond ne neutrinos produits par le rayonnement cosmique dans l’atmosphère. Malgré ce succès expérimental, l’astronomie neutrino ne pourra prendre son essor qu’avec un volume instrumenté des centaines de fois plus important, comportant des dizaines de milliers d’yeux électroniques. C’est dans ce contexte que s’est formé le consortium européen KM3NeT, au sein duquel la prochaine génération de télescope à neutrino a été étudiée, entre 2006 et 2012. Au sein de ce consortium l’Irfu a participé entre autre au développement d’une nouvelle génération de photodétecteurs et en particulier à son électronique de traitement du signal.

Depuis l'annonce spectaculaire de juillet 2012, les physiciens ont analysé deux fois et demie plus de données que ce qui était alors disponible. Leurs derniers résultats ont été présentés jeudi 7 mars à La Thuile, dans les Alpes italiennes, lors des "Rencontres de Moriond", la première conférence de physique majeure de l'année. 

En utilisant les données du spectromètre CIRS, placé sur la sonde CASSINI actuellement autour de Saturne, deux chercheurs du Service d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu et Université Paris Diderot ont réussi à mesurer l'épaisseur de l’anneau B, le plus dense des anneaux de Saturne. Grâce à un modèle thermique détaillé et des relevés de la température obtenus par CIRS sur une saison saturnienne entre 2005 et 2012, ils ont établi que la chaleur déposée sur la face éclairée semble diffuser en quelques jours à travers l’anneau B. L'épaisseur déduite de l'anneau est entre 3 à 4 mètres alors que l'extension radiale de l'anneau est de plus de 25 000 kilomètres, ce qui en fait la structure la plus fine connue. Ces travaux qui permettent également de mieux estimer la capacité des particules des anneaux à s’agglomérer par autogravitation sont publiés dans la revue Icarus du 1 Mars 2013.

Depuis l'annonce spectaculaire de juillet 2012, les physiciens ont analysé deux fois et demie plus de données que ce qui était alors disponible. Leurs derniers résultats ont été présentés jeudi 7 mars à La Thuile, dans les Alpes italiennes, lors des "Rencontres de Moriond", la première conférence de physique majeure de l'année. 

And the winner is… le deuxième catalogue Fermi-LAT de sources cosmiques de rayons gamma, baptisé 2FGL ! Cette publication de l'ensemble des sources détéctées par le satellite Fermi en rayons gamma de très hautes énergies (0.1-100GeV) a suscité le plus grand nombre de citations parmi tous les articles astronomiques publiés dans le monde en 2012. Les catalogues successifs 0FGL, 1FGL et 2FGL, qui recensent les sources gamma du ciel découvertes par le télescope spatial Fermi depuis 2008, ont ainsi été cités près de 1 000 fois [1]. Une belle récompense pour les chercheurs du Service d’Astrophysique/laboratoire AIM du CEA Saclay-Irfu au sein d'une équipe (CEA/CNRS) de la collaboration Fermi-LAT qui ont coordonné la création de ces catalogues contenant plus de 1800 sources dont une grande partie étaient inconnues avant ces résutats.

Depuis plusieurs années, les astrophysiciens du CEA tentent de décoder l'histoire des galaxies, en participant à des programmes de recherche internationaux tels que ceux des satellites Planck et Herschel, de l’observatoire ALMA et bientôt de la mission Euclid. Pour la première fois, et grâce aux données nouvellement acquises, il est devenu possible de reconstruire la vie complexe des galaxies depuis leur formation et de répondre à des questions comme « Pourquoi notre galaxie, la Voie lactée, produit beaucoup moins d'étoiles que les galaxies du début de l'univers ? ».

À l’aide de simulations numériques haute définition inédites et à l’élaboration d’un modèle théorique unique au monde, les chercheurs ont réussi à décrire avec précision des événements marquants de la vie d’une galaxie : la formation des étoiles, les collisions, la croissance des trous noirs...

Le Point Presse du 7 juin 2013 propose une série de présentations au cours desquelles les astrophysiciens du Service d'Astrophysique- Laboratoire AIM du CEA-Irfu présentent à l’aide de projections 3D les derniers résultats et les publications en préparation sur l’histoire et l’évolution des galaxies.

De nouveaux résultats expérimentaux permettent de tester l’hypothèse de couches nucléaires pour les noyaux atomiques éloignés de la vallée de la stabilité nucléaire. Alors que des travaux antérieurs aboutissent à des conclusions contradictoires, nos mesures de transfert récentes effectuées au GANIL montrent une faible dépendance des corrélations avec l’asymétrie proton-neutron en accord avec les meilleurs modèles ab initio de structure du noyau. Elles plaident en faveur d’un effort théorique pour traiter structure et réaction dans un modèle unique pour obtenir une image consistante du noyau atomique, quel que soit le mécanisme de réaction envisagé.

Un des produits phares du satellite Planck (ESA), le catalogue d’amas de galaxies détectés dans les cartes du fond diffus de l'univers, vient d'être mis à la disposition de la communauté scientifique, le 21 mars 2013, en même temps que les premiers résultats cosmologiques du satellite. Basé sur 15 mois d’observation de l’ensemble du ciel aux ondes millimétriques, ce catalogue, qui contient 1227 amas de galaxies, a été établi grâce au rôle majeur des scientifiques du Service de Physique des Particules (SPP) et du Service d'Astrophysique-AIM du CEA-Irfu. Par l'analyse des perturbations que subit la lumière du fond diffus en traversant ces amas, les chercheurs ont pu déterminer de façon indépendante la répartition de matière dans l'univers. Surprise, cette répartition semble différente de celle déterminée à partir du fond diffus lui-même. Une différence qui pourrait s'expliquer par l'existence de neutrinos massifs. Les plus petites des particules dont les masses n'ont pu encore être déterminées pourrait ainsi modifier la répartition de la matière dans l'Univers et influencer la formation des amas de galaxies, les plus gros objets de l’Univers.

Le 14 décembre 2012, « Physics World » a dévoilé sa liste des dix percées scientifiques  en physique pour l’année 2012. Des physiciens du Service de Physique des Particules de l’Irfu sont impliqués dans trois des quatre plus importantes publications de 2012 selon ce classement. La première place revient à la découverte d’une nouvelle particule compatible avec le boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS sur le LHC au CERN. La quatrième est remportée par l’observation du mouvement des amas de galaxies par l’expérience BOSS. Classée en troisième position figure la première mesure directe de la violation de l’invariance par renversement du temps effectuée par la collaboration BABAR. Ce résultat qui est expliqué ci-dessous.

Aujourd'hui, on estime qu'environ 73 % du contenu énergétique de l'Univers provient de l'énergie noire, les 27% restants étant de la matière noire (23 %) et ordinaire (4%). La nature de cette énergie noire responsable de l'accélération de l'expansion de l'Univers est un sujet de recherche brûlant en cosmologie. Son explication la plus simple sous la forme d'une constante cosmologique ne convainc pas tous les physiciens. L'équipe SNLS (Super Nova Legacy Survey) de l'IRFU s'est attachée à confronter un nouveau modèle de gravité modifiée, appelé le Galiléon, aux données de cosmologie les plus récentes issues de différentes observations (SNLS, WMAP, BAO et croissance des structures). Ce modèle fait intervenir un champ scalaire, le Galiléon, médiateur d'une cinquième force qui serait négligeable devant la gravitation au voisinage des corps massifs, mais dominante aux échelles cosmologiques. Ainsi, ce modèle peut s'accorder parfaitement avec tous les tests expérimentaux de la Relativité Générale dans notre Univers local, tout en proposant une explication à l'accélération de l'expansion de l'Univers qui s’observe à grande échelle.

L'équipe de l'IRFU a développé un code d'analyse pour mener cette confrontation du modèle Galiléon aux différentes observations. Les résultats¹, publiés dans le journal A&A, montrent que ce modèle alternatif est très prometteur pour comprendre l'évolution de l'Univers. Dans le futur, des mesures du taux de croissance des structures très précises et à des distances lointaines seront déterminantes pour pouvoir distinguer ce modèle de gravité modifiée du modèle de la Relativité Générale d’Einstein.