Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Mardi 13 décembre 2016, un chercheur de  l’Irfu/SPP a présenté au Cern, au nom de la collaboration Atlas, la première mesure de la masse du boson W effectuée avec les données du LHC. Les données analysées sont celles des collisions proton-proton enregistrées en 2011 à une énergie de collision de  7 TeV et correspondent à une luminosité intégrée de 4,6 fb^-1. La valeur mesurée est 80370 ± 19 MeV, compatible avec la prédiction du modèle standard et avec la moyenne mondiale des mesures précédentes. Le résultat présenté par Atlas égale en précision la mesure de l'expérience CDF au TeVatron, la plus précise à ce jour.

La collaboration Double Chooz vient de présenter au CERN de nouveaux résultats fondés sur l’apport des données du détecteur « proche » localisé à 400 m des réacteurs nucléaires de Chooz. Ce détecteur permet désormais la mesure la plus précise de la section efficace des antineutrinos de réacteur, avec une incertitude de 1.2%. Par ailleurs les mesures concernant les oscillations de neutrinos ont été affinées.

Des physiciens du service de physique nucléaire (SPhN) membres de la collaboration du Hall A au Jefferson Lab (USA), étudient la structure des protons composés de quarks et de gluons décrite par les distributions de partons généralisées. Pour cela un faisceau d'électrons avec une énergie de plusieurs gigaélectronvolts est envoyé sur une cible d'hydrogène liquide. L'électron interagit avec le proton en échangeant un photon, un grain de lumière, qui va nous dévoiler la structure du proton.

Leader de l’analyse des données, les physiciens du SPhN, en collaboration avec ceux de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (CNRS), ont étudié pour la première fois la probabilité de production d’un pion neutre issu de l’interaction entre le photon et le proton, en fonction de l'énergie de l'électron incident. En faisant la mesure avec 2 énergies incidentes, nous changeons les propriétés du photon et c'est comme si nous observions le proton sous un autre angle. En croisant les deux prises de vue, on obtient une information plus complète sur ce que l'on observe. Pour la première fois au monde, notre résultat indique que l’on accède aux distributions de parton généralisées dites de « transversité », qui demeuraient expérimentalement inaccessibles [1]. La production de pions neutres permet donc de photographier une face du proton qui jusqu'alors nous était cachée.

La découverte des oscillations de neutrinos est une avancée majeure dans l'histoire des particules élémentaires. Ces particules de matière les plus abondantes dans l'univers ont une masse non nulle et les trois états connus de neutrinos se mélangent les uns aux autres pendant leur propagation. 
Un travail publié par le CEA-Irfu a déclenché un regain d’activité sur la thématique des neutrinos stériles. Cet article démontre qu’un déficit moyen de 7% de neutrinos est détectés par rapport aux prédictions théoriques. C'est l'anomalie des neutrinos de réacteur. Par analogie avec les déficits connus de neutrinos induits par les oscillations dans les secteurs solaire et atmosphérique, ce nouveau déficit à courte distance peut être interprété par l'existence d'un nouvel état de neutrino, un neutrino stérile. Si elle est prouvée, l'existence de cette particule serait une découverte majeure, avec un impact fort dans la physique des particules et la cosmologie. 
Dans les trois ans du projet, Stéréo propose la réalisation d’une mesure de précision à moins de 10 m du cœur compact du réacteur de recherche ILL (Grenoble, France). Le concept de détection est basé sur l'interaction des neutrinos dans un scintillateur liquide (LS). Le volume cible est segmenté suivant la direction du cœur en 6 cellules (1,0 x 1,0 x 0,4 m3). Elles sont remplies de LS dopé au Gd en vue de signer la capture radiative du neutron, corrélée avec l'annihilation d’un positron. Une couronne externe, remplie de LS sans Gd, récupère une partie des fuites de rayons pour améliorer l'efficacité de détection et la résolution en énergie. 

Installation à Grenoble

Printemps 2016 : Montage du détecteur interne au CNRS/LPSC de Grenoble et transport vers l'ILL:

Eté 2016 : Etapes d'assemblage des blindages plomb (Pb), polyéthylène (PE) et magnétique (mumétal) sur l'aire de montage du réacteur:

Automne 2016 : Mise en place de l'ensemble détecteur + blindage sur le site du réacteur. Les 93 tonnes (!) sont déplacées sur coussins d'air depuis l'aire de montage jusqu'à la casemate de prise de données. Avec cette technologie un homme aurait suffit pour le déplacer. Mais bon, le réacteur a insisté pour que le déplacement soit complètement sécurisé par un rail de guidage ancré au sol et des câbles d'amarrage répartis devant et derrière Stereo... alors on a fait comme ça. 

La collaboration T2K a présenté de nouveaux résultats sur les oscillations des neutrinos à la 27ème Conférence sur la Physique du Neutrino (Neutrino 2016) à Londres. Les nouvelles données indiquent des probabilités d'oscillation différentes pour les neutrinos et les antineutrinos, une différence qui pourrait être liée à la violation de la symétrie de charge-parité. Les neutrinos pourraient ainsi détenir une des clés pour expliquer la différence entre matière et antimatière, une des questions les plus profondes sur l'évolution de l'Univers.

Le LHC a démarré sa deuxième période de prise de données en 2015 à une énergie encore jamais atteinte par un collisionneur, permettant aux expériences Atlas et CMS d’étudier environ 3 fb^-1 de données à la recherche de physique non standard. Le 13 juin 2016, les deux collaborations ont simultanément soumis à publication les résultats de leurs recherches de nouvelles résonances se désintégrant en deux photons dans les données enregistrées à 13 TeV en 2015 (Atlas et CMS) et à 8 TeV en 2012 (CMS). Atlas a proposé ses résultats au Journal of High Energy Physics, JHEP, et CMS à Physcal Review Letters.

La collaboration D0, dont le coordinateur de la Physique est un physicien de l’Irfu, vient d’annoncer l’observation d’un tout nouveau tetraquark, assemblage de quatre quarks, appelé X(5568). La famille de ces particules exotiques s’enrichit pour la première fois d’un membre composé de quatre quarks de saveurs différentes : up, down, étrange et beau.  Les résultats de cette analyse ont été soumis à la revue Physical Review Letters en février 2015. Cette découverte ouvre une nouvelle fenêtre sur l’interaction forte qui lie les quatre quarks entre eux et aide les théoriciens à développer les modèles : trois semaines après l'annonce, on compte déjà une vingtaine d'interprétations théoriques publiées sur le site ArXiv.

Lors des 51èmes Rencontres de Moriond (La Thuile, Italie) la collaboration Double Chooz a affiné sa mesure de la disparition d'antineutrinos en provenance du réacteur nucléaire de la centrale de Chooz dans les Ardennes. Ces nouveaux résultats sont fondés sur la comparaison des données du détecteur proche (400 m, 9 mois de données) et lointain (1.1 km, 2 ans de données). La nouvelle valeur mesurée est sin²(2θ₁₃) = 0.111±0.018. Ainsi la sensibilité de l’expérience anticipée dans la lettre d’intention (2004) est déjà atteinte. Ces résultats seront encore améliorés avec plus de données. La nouvelle valeur de θ₁₃ mesurée par Double Chooz dépasse celle de l’expérience Daya Bay, d’environ 30 %, se rapprochant ainsi de la valeur mesurée par les expériences T2K and NOvA exploitant les neutrinos issus d'accélérateurs de particules.

Pour mesurer les oscillations de neutrinos, l’expérience T2K, utilisant le faisceau de neutrinos produit par l’accélérateur du laboratoire JPARC au Japon, compare les nombres de neutrinos muoniques et électroniques interagissant avec un détecteur proche de ceux interagissant avec un détecteur lointain. Pour ce faire, il faut maîtriser précisément la probabilité d’interaction, ou section efficace, des neutrinos avec les nucléons (protons et neutrons) des noyaux constituant la cible des détecteurs. C’est ce que réalise le groupe T2K du SPP qui a mesuré la section efficace de la réaction (ν_μ + n → μ^- + p⁺), mesure faite pour la première fois dans T2K en fonction de l'impulsion et de l'angle du muon. Ceci permet d’étudier précisément les « effets nucléaires », autrement dit le fait que le neutron cible n’est pas libre mais lié au cœur de noyaux atomiques. Les résultats, en cours de publication dans Physics Review D, ouvrent la voie dans T2K à la mesure des effets nucléaires dans les interactions neutrinos/nucléons. Effets qui constituent aujourd'hui la source d'incertitude systématique la plus importante pour les futures mesures d'oscillation de neutrinos.

Un livre blanc sur l’éventualité qu’un nouveau neutrino d’une masse de l’ordre du keV contribue à la mystérieuse matière noire vient tout juste de paraître. Ce recueil de presque 300 pages, dont Thierry Lasserre (DRF/Irfu/SPP) est l’un des quatre éditeurs, rassemble les contributions d’une centaine de chercheurs de 90 institutions. Il présente un état de l’art tant théorique qu’expérimental sur le sujet en intégrant les apports de tous les domaines concernés : physique des particules, physique nucléaire, astrophysique et cosmologie.

La collaboration n_TOF, dont l'Irfu et l’IPN Orsay comptent parmi les membres fondateurs les plus actifs, étudie au Cern depuis une quinzaine d'années les réactions entre neutrons et noyaux atomiques, aidant à comprendre comment la matière est structurée et s’organise à l’échelle nucléaire. Au-delà de l'intérêt intrinsèque de l’étude de la matière nucléaire, les réactions induites par neutrons jouent un rôle clé dans le domaine de la technologie nucléaire et dans l'étude de la nucléosynthèse primordiale et stellaire en astrophysique. En particulier, le problème du lithium cosmologique a été étudié récemment dans la toute nouvelle zone d'expérimentation EAR2 avec une mesure de la réaction ⁷Be(n,?)⁴He. Les résultats, qui viennent d'être publiés dans la prestigieuse revue à fort impact Physical Review Letters [1], permettent d’affiner notre compréhension de la nucléosynthèse primordiale et excluent un rôle important de cette réaction dans le problème du lithium cosmologique.

Des physiciens du service de physique nucléaire (SPhN) membres de la collaboration du Hall A au Jefferson Lab (USA), étudient la structure des protons composés de quarks et de gluons décrite par les distributions de partons généralisées. Pour cela un faisceau d'électrons avec une énergie de plusieurs gigaélectronvolts est envoyé sur une cible d'hydrogène liquide. L'électron interagit avec le proton en échangeant un photon, un grain de lumière, qui va nous dévoiler la structure du proton.

Leader de l’analyse des données, les physiciens du SPhN, en collaboration avec ceux de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (CNRS), ont étudié pour la première fois la probabilité de production d’un pion neutre issu de l’interaction entre le photon et le proton, en fonction de l'énergie de l'électron incident. En faisant la mesure avec 2 énergies incidentes, nous changeons les propriétés du photon et c'est comme si nous observions le proton sous un autre angle. En croisant les deux prises de vue, on obtient une information plus complète sur ce que l'on observe. Pour la première fois au monde, notre résultat indique que l’on accède aux distributions de parton généralisées dites de « transversité », qui demeuraient expérimentalement inaccessibles [1]. La production de pions neutres permet donc de photographier une face du proton qui jusqu'alors nous était cachée.

Une collaboration, menée par les physiciens du GANIL, de l'IN2P3 (CSNSM) et de l'Irfu (SPhN), a étudié les formes des noyaux exotiques autour de N~60, A~100 auprès de l’installation REX-ISOLDE au CERN en utilisant la méthode d'excitation coulombienne.  Nous avons confirmé que la brusque transition de noyaux sphériques à 58 neutrons vers des noyaux très déformés à 60 neutrons, observée initialement pour les chaines isotopiques des strontiums Sr et zirconiums Zr (Z=38,40), persiste aussi dans la chaine des rubidiums Rb (Z=37). En outre, cette transition est accompagnée par le phénomène de « coexistence de formes » pour les noyaux de Sr. Nous avons montré que le mélange entre ces deux configurations sphérique et déformée est très faible, contrairement à ce qui a été observé pour tous autres cas de coexistence de formes. Ces résultats originaux ont été publiés dans la revue Physical Review Letters 116, 022701 (2016).

La comparaison des calculs ab initio et des données expérimentales a fait l’objet d’un travail original initié par les physiciens du Service de Physique Nucléaire du CEA-Saclay : pour la première fois, l’étude menée associe deux types d’observables fondamentales du noyau : la masse (énergie de liaison de l’état fondamental) et la taille en termes de rayon nucléaire, sous la forme du rayon quadratique moyen de la densité de matière (ensemble des nucléons, protons et neutrons), et la comparaison proposée est étendue aux isotopes les plus riches en neutrons. Ce travail, publié le 27 juillet 2016 dans la revue Physical Review Letters, a été présenté comme « suggestion de l’éditeur » (highlight). Les résultats mettent en relief les observables clés sur lesquelles bâtir notre compréhension générale de la description des noyaux atomiques, en les reliant aux forces ab initio. La comparaison avec plusieurs techniques de calcul a été réalisée en collaboration avec des théoriciens de l'université du Surrey, de Triumf, et de MSU.

La collaboration D0, dont le coordinateur de la Physique est un physicien de l’Irfu, vient d’annoncer l’observation d’un tout nouveau tetraquark, assemblage de quatre quarks, appelé X(5568). La famille de ces particules exotiques s’enrichit pour la première fois d’un membre composé de quatre quarks de saveurs différentes : up, down, étrange et beau.  Les résultats de cette analyse ont été soumis à la revue Physical Review Letters en février 2015. Cette découverte ouvre une nouvelle fenêtre sur l’interaction forte qui lie les quatre quarks entre eux et aide les théoriciens à développer les modèles : trois semaines après l'annonce, on compte déjà une vingtaine d'interprétations théoriques publiées sur le site ArXiv.

Dans un volume spécial de la revue internationale Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy de novembre 2016 consacré à l’étude des interactions de marées, deux chercheurs de l’Université de Namur et du Service d’Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu viennent de calculer l’évolution des orbites de planètes de différentes masses, proches d’une étoile centrale de petite masse. Leur modèle est le premier à prendre en compte simultanément l’évolution au cours du temps de la structure et de la rotation de l’étoile centrale et son impact sur les interactions de marées entre étoile et planète. Ils démontrent que les orbites de planètes proches peuvent être fortement influencées par les changements de la structure et de la rotation de l’étoile qui peuvent conditionner ainsi la survie ou la disparition de la planète.

Des observations de Malin 1, une galaxie voisine et un prototype parfait des "galaxies géantes avec une faible luminosité de surface», ont permis à une équipe internationale comprenant un chercheur du Service d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-IRFU de faire une découverte inattendue qui remet en question les hypothèses sur le processus de formation des galaxies de ce type. Il suggère que le disque géant de Malin-1, le plus grand connu dans l'univers, n'est pas la conséquence d'une collision, mais est en place depuis plusieurs milliards d'années, et les étoiles y sont formés de façon modérée mais  stable sur un long terme. En raison de leur aspect diffus et leur très faible brillance, ces galaxies massives sont difficiles à observer et demeurent mal connues aujourd'hui. Elles pourraient être une fraction importante des galaxies dans l'univers, car de nombreux objets semblables à Malin 1 pourraient avoir échappé à notre vigilance.
L'article, publié dans la revue Astronomy and Astrophysics, présente pour la première fois des images de Malin 1 obtenues à six longueurs d'onde différentes - de l'ultraviolet par le projet GUViCS1 à l'optique et proche infrarouge par le biais du projet NGVS1 avec la caméra MegaCam développée au CEA et installée sur le Télescope Canada-France-Hawaii (CFHT) [1]. Initialement prévu pour étudier l'amas de galaxies de la Vierge, ces grandes campagnes d'observation permettent également de travailler sur d'autres objets dans l'arrière-plan de cet amas, comme cela est le cas dans cette étude.

Une équipe internationale d’astronomes a utilisé le Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l’Atacama (ALMA) pour explorer l’un des recoins de l’Univers révélé par le Champ Ultra Profond du satellite Hubble (HUDF). Ces nouvelles observations d’ALMA sont sensiblement plus profondes et mieux résolues que les sondages antérieurs effectués dans le domaine millimétrique. Elles mettent clairement en évidence l’existence d’une étroite relation entre le taux de formation stellaire dans les galaxies jeunes et leur masse stellaire totale. Elles révèlent par ailleurs l’abondance ainsi que la distribution spatiale du gaz à partir duquel naissent les étoiles, offrant ainsi un nouvel aperçu de cet “Age d’Or” de la formation galactique daté de quelque 10 milliards d’années.

Ces nouveaux résultats des observations d’ALMA font l’objet d’une série d’articles à paraitre dans l’Astrophysical Journal et les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Ils seront par ailleurs dévoilés lors du colloque “Les Cinq Ans d’ALMA”, organisé cette semaine à Palm Springs, Californie, Etats-Unis.

L’observatoire H.E.S.S. en Namibie traque la matière noire sous forme de WIMPs via la détection des rayons gamma produits lors de leur annihilation. A l’aide des 4 télescopes Tcherenkov phase 1, H.E.S.S. recherche le signal gamma de ces particules candidates à la matière noire dans les régions denses de l’Univers. L’analyse de l’ensemble des observations du centre de la Voie Lactée accumulées pendant les 10 ans de la phase 1 de H.E.S.S. permet de poser les contraintes les plus fortes à ce jour pour des WIMPs dans la plage en masse du TeV. Pour la première fois, les observations gamma au sol permettent de sonder les sections efficaces d’annihilation attendues par la densité relique thermique de particules de matière noire. Ces résultats viennent d’être publiés dans Physical Review Letter.

Une équipe internationale menée par des chercheurs du Service d’Astrophysique/ Laboratoire AIM du CEA-Irfu a découvert une gigantesque nébuleuse de gaz ionisé, plus  de 300 000 années-lumière, au sein de l’amas de galaxies distant CL J1449+0856. Elle a été détectée à partir de l’émission d’une raie de l’hydrogène provenant d’un énorme réservoir de gaz chaud, probablement ionisé par les radiations de deux quasars lumineux de l’amas. C’est la première fois qu’une telle émission est observée dans un milieu où est également présent un plasma chaud détecté en rayons X. Les chercheurs pensent que l’interaction entre ces deux composantes gazeuses provoque une évaporation très rapide de la nébuleuse observée, ce qui implique des mécanismes très efficaces pour l’alimenter de manière continue. Cette découverte suggère aussi l’existence d’un lien physique très fort entre les nébuleuses géantes Lyman alpha et les premières étapes de l’évolution des plus grandes structures gravitationnellement liées de l’Univers. Ces travaux sont publiés par Francesco Valentino et ses collaborateurs dans la revue The Astrophysical Journal.

En combinant des observations multi-longueur d'ondes obtenues depuis l'espace avec les satellites Planck et WISE et au sol avec le CFHT, une équipe de chercheurs notamment du CNRS et du CEA est parvenu à sonder la structure de la matière interstellaire avec une finesse inégalée. L'étude a en particulier permis de déterminer les propriétés de la turbulence interstellaire sur une gamme d'échelles spatiales encore jamais atteinte: de 10 pc à  0.01 pc. L’innovation principale de ces travaux est l’utilisation d’un télescope optique (le CFHT) pour étudier la structure de la matière à très grande résolution spatiale, ce que ne permettent pas les observations classiques du milieu interstellaire effectuées dans l'infrarouge. Ces travaux sont publiés dans la revue Astronomy and Astrophysics.

L’étude de la dynamique du gaz des amas de galaxies est un outil majeur pour comprendre la formation et l’évolution de ces grandes structures de l’Univers.
Effets de la gravitation exercée par la matière noire de l’amas et de l’activité de ses galaxies, les mouvements du plasma  sont un ingrédient pour la compréhension de ces systèmes. Grâce à ses performances sans précédent en spectroscopie des rayons X, l’instrument SXS à bord du satellite Hitomi a permis de mesurer très précisément la vitesse de plusieurs éléments chimiques du milieu intra-amas dans la région centrale de l’amas de galaxies de Persée. Malgré la présence dans cette région du très actif noyau de galaxie NGC1275, les mouvements du gaz indiquent de manière surprenante que le milieu intra-amas est relativement calme et que la turbulence ne joue pas un rôle majeur. Ce travail est publié dans la revue Nature du 7 juillet 2016 par la collaboration Hitomi à laquelle participe des chercheurs du Service d’Astrophysique du CEA-Irfu de Saclay. Il résulte d’observations effectuées par le satellite Hitomi avant sa défaillance fin mars 2016.

En collaboration avec l’observatoire de Bordeaux et l’université de Berne en Suisse, un chercheur du Service d’Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu a mis en évidence l'existence d'instabilités importantes dans les vents supersoniques à la surface  de planètes géantes très proches de leur étoile, qualifiées de "jupiters chauds". En utilisant des simulations hydrodynamiques en 3D idéalisées mais à haute résolution spatiale, l’équipe a montré que le vent équatorial violent des Jupiter chauds est déstabilisé par des instabilités dites de Kelvin-Helmoltz, bien connues en hydrodynamique de laboratoire. Ces instabilités provoquent des oscillations de la trajectoire du vent autour de l’équateur et pourraient être à l’origine de  l’apparition de chocs dans les couches supérieures de l’atmosphère. Ces phénomènes peuvent influer de façon notable l'émission infrarouge de ces planètes. Ces résultats sont publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics.

La vitesse de rotation d’une étoile à neutrons à sa naissance est un paramètre important pour mieux comprendre la nature du progéniteur et les processus dynamiques liés à l’effondrement du cœur de l’étoile massive. Néanmoins,  la distribution des vitesses de rotation initiale des pulsars est loin d’être connue. Une étude menée par R. Kazeroni du Service d’Astrophysique/laboratoire AIM (SAp) du CEA-Irfu et ses collaborateurs vient, via des simulations numériques, de souligner l’efficacité de l’instabilité hydrodynamique appelée « SASI » pour impulser une vitesse de rotation à l’étoile à neutrons. De manière surprenante, les simulations montrent que dans certains cas, la rotation de l’objet compact est de sens opposé à la perturbation qui lui donne naissance. Ces travaux sont publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Une collaboration internationale de chercheurs (Oxford, AWE, CEA, LULI, Observatoire de Paris, Université du Michigan, Université de York et STFC Rutherford Appleton Laboratory) a réussi pour la première fois à générer en laboratoire l'analogue d'un choc violent qui est produit quand de la matière tombe à très grande vitesse sur la surface d'étoiles extrêmement denses appelées naines blanches. Comprendre la physique de ces objets astrophysiques est crucial car ils sont considérés comme les progéniteurs possibles des supernovae thermonucléaires, des supernovae utilisés dans la cosmologie pour mesurer l'accélération de l'expansion de l'univers liée à l'énergie sombre. Pour effectuer cette expérience d'astrophysique, les scientifiques ont utilisé  le laser de puissance Orion, basé à Aldermaston (Royaume-Uni) pour bombarder une cible de taille millimétrique et produire un flux de plasma chaud pour une durée extrêmement courte (moins de 100 nanosecondes) [1].
Des travaux théoriques récents ont montré, à l'aide de lois d'échelle adaptées, que cette expérience à très petite échelle est équivalente à son homologue cosmique ce qui en fait une réplique valable. Les lasers de puissance peuvent donc être utilisés comme des microscopes pour explorer, au cours de quelques nanosecondes, les processus de rayonnement de haute énergie venant de régions largement non résolues par les télescopes les plus puissants. L'expérience Orion, qui est la première expérience académique sur cette installation, confirme que ces chocs d'accrétion, qui jusqu'ici ne pouvaient pas être accessibles au laboratoire il y a quelques années à l'échelle exacte, peuvent maintenant y être produits couramment. Ces résultats sont publiés dans Nature Communications du 13 juin 2016.

Sur les hauts plateaux Khomas de Namibie, trônent les 5 télescopes imageurs à effet Cherenkov de H.E.S.S.. Situés ainsi dans l’hémisphère Sud, ils sont idéalement placés pour scruter les phénomènes violents à l’œuvre dans les 300 parsecs centraux de la Voie Lactée. Leur quête? Traquer les rayons cosmiques galactiques à haute énergie, allant du Téra au Pétaélectronvolt (10¹² à 10¹⁵ eV) pour comprendre leur origine. Ainsi, la mise en évidence d’un accélérateur de protons au PeV, un « PeVatron », avec l’appui de dix années de prise de données est une première historique. Ces protons sont 100 fois plus énergétiques que ceux produits par le plus performant accélérateur construit par l’homme. Plus étonnant encore, l’existence du PeVatron est très probablement liée à la présence d’un objet hors du commun : Sagittarius A*, le trou noir supermassif situé au centre de notre galaxie. Ce résultat remet aujourd’hui en question l’origine du rayonnement cosmique galactique aux plus hautes énergies, attribuées aux seuls vestiges de supernova. Il laisse également entrevoir d’importantes implications sur la physique des trous noirs en accrétion.

Intervenant : Emmanuel Moulin SPP/ Irfu / CEA
Réalisation : Alice Mounissamy – communication de l’Irfu / CEA

L’analyse de l’émission X et gamma du microquasar V404 Cygni a conduit à la découverte d'intenses bouffées de plasma constitué d’électron et de son antiparticule le positron. Ce résultat, basé sur l'étude par le spectromètre INTEGRAL/SPI d'un remarquable épisode d'activité de la source en juin 2015 désigne les microquasars comme des pourvoyeurs efficaces de plasmas de paires, des « usines à antimatière » en quelque sorte. La source V404 Cygni montre une variété de sursauts, certains atteignant des records de brillance en rayons gamma. Cette diversité est décrite en détail dans une étude complémentaire qui conclut que dans le système, des éjections de matière à très grande vitesse ont lieu dans des jets. Ces différentes observations et leurs implications soulignent le rôle clé joué par les microquasars pour expliquer l’émission diffuse de photons d’annihilation observée dans le bulbe galactique et l’origine encore mal connue du fond diffus gamma galactique. Ces travaux sont l’objet de deux publications, l’une placée sous la direction d’une équipe du Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) de Garching en Allemagne et publiée dans la revue Nature du 29 février 2016 et la seconde pilotée par les chercheurs du Service d’Astrophysique/laboratoire AIM (SAp) du CEA-Irfu et parue dans le journal Astronomy and Astrophysics fin 2015. Dans les deux cas, les chercheurs du MPE et du SAp se sont associés pour exploiter avec d'autres collaborateurs les données du satellite Integral, seul observatoire actuellement en opération permettant de mener à bien de telles études.

Le satellite d’astronomie X Astro-H a été lancé avec succès par l’agence spatiale japonaise JAXA le 17 février à 17h45 (9h45 à Paris) depuis le centre spatial de Tanegashima au Japon. La mise à poste du satellite sur son orbite nominale s’est effectuée 14 min plus tard et les premières étapes de vérification des différents systèmes ont débuté. ASTRO-H est une mission JAXA/NASA avec un leadership japonais et une participation de l’ESA. Cet observatoire de nouvelle génération a pour objectif scientifique l’observation et l’étude de l’Univers chaud et énergétique. Astro-H embarque plusieurs instruments qui combinés couvrent la gamme d’énergie 0.3-600 keV. Parmi les instruments, le plan de détection du spectromètre SXS est équipé de matrices de microcalorimètres X, une première dans ce domaine. Ces détecteurs, refroidis à une température proche du zéro absolu, permettront d’atteindre des performances inégalées en terme de résolution spectrale, supérieure d’un ordre de grandeur aux instruments actuellement en opération. Le CEA participe à la mission via la contribution de l’ESA et du CNES, tant du point de vue expérimental que scientifique.

Une fois le satellite placé sur son orbite et selon une tradition japonaise, la JAXA a dévoilé le nom maintenant d'usage de la mission, "Hitomi".

Une collaboration internationale, impliquant le Service d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu, est parvenue à déterminer, à partir des techniques d’astérosismologie, que jusqu'à 65% des étoiles plus massives que le Soleil (entre 1.6 et 2 masses solaires) possèdent un champ magnétique interne très élevé. Jusqu'ici seulement 5 à 10% de ces étoiles étaient soupconnées avoir un champ magnétique pouvant atteindre jusqu'à 10 milions de fois celui de la Terre. Cette découverte inattendue démontre l'importance d'un effet "dynamo" capable de maintenir des champs intenses à l'intérieur des étoiles. Ces résultats, obtenus grâce aux données du satellite Kepler [1], sont publiés dans la revue Nature du 21 janvier 2016.

Les exo-planètes découvertes jusqu’à présent sont en majorité des planètes géantes en orbite très proche de leur étoile hôte conduisant à une  possible connexion magnétique entre les deux objets. Une collaboration internationale incluant A. Strugarek,  A.S. Brun et V. Réville du Service d’Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA-Irfu a en utilisant des simultations numériques 3-D haute performance quantifié les énergies mises en jeu dans ces interactions magnétiques, et conclu qu’elles conduisent à des effets observables. Ces résultats préparent ainsi au mieux l’analyse des données des futurs instruments au sol tel le spectropolarimètre Spirou et dans l’espace comme le satellite Plato de l’Agence Spatiale Européenne dans lequel le CEA/Service d’Astrophysique est fortement impliqué. Les simulations montrent également  les effets à long terme de migration planétaire liés aux couples magnétiques. Ces résultats, tirant parti des grands calculateurs GENCI, PRACE et canadiens sont publiés dans la revue The Astrophysical Journal.

La nébuleuse du Crabe, longtemps considérée comme une source étalon, a vu récemment ce statut remis en cause par l’observation en gamma de haute énergie de brefs et intenses épisodes d’activité. Une équipe franco-irlandaise (Service d’Astrophysique du CEA–Irfu et du centre for Astronomy de l'Université de Galway) vient de renforcer ce constat en mettant en évidence pour la première fois un changement de polarisation de la lumière visible et gamma de la région centrale de la nébuleuse entre 2005 et 2012. Ce résultat est le fruit d’un programme combinant des observations menées au télescope de 5 mètres du mont Palomar avec le polarimètre GASP de l’Université de Galway, par le satellite d’astronomie gamma Integral et provenant de données d’archives du télescope spatial Hubble. Le changement de polarisation observé pourrait être lié selon les chercheurs à des processus de réarrangement du champ magnétique et leurs effets sur un flux de particules énergétiques dans une région proche du pulsar central. Ces travaux sont publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et objet de l’image du mois sur le site Integral de l’Agence spatiale européenne (ESA).

Une équipe internationale de chercheurs, incluant le Service d’Astrophysique- Laboratoire AIM au CEA-Irfu, a établi que la mesure des âges stellaires calculés à partir du taux de rotation des étoiles, ou gyrochronologie, doit être revisée pour des étoiles plus âgées que le Soleil. Ces étoiles ralentissent moins vite que prévu au delà d’un certain âge, proche de celui du Soleil. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature du 4 Janvier 2016.

Au cœur des dernières innovations pour la détection de particules, l’Irfu a développé des télescopes à muons très performants réalisant des cartographies 2D en densité (ou « muographies ») d’une précision remarquable. Equivalent à un télescope optique qui permet de voir la matière éclairée par la lumière visible, un télescope à muons permet de sonder  l’intérieur de grandes structures denses grâce à ces particules élémentaires qui nous arrivent naturellement de l’atmosphère.  En juin 2016, une équipe de l’Irfu rejoint la mission ScanPyramids  en déployant  trois télescopes à muons autour de la pyramide de Kheops. Ils pointent alors vers l’arête Nord-Est de la pyramide, et plus précisément vers une encoche située à 150 m de distance où se cache une petite cavité d’environ 9m² déjà repérée par les égyptologues.  Le but de cette campagne de mesure est de valider les performances des télescopes en détectant cette cavité cachée 5 m sous l’arête et invisible depuis le sol.

La découverte des oscillations de neutrinos est une avancée majeure dans l'histoire des particules élémentaires. Ces particules de matière les plus abondantes dans l'univers ont une masse non nulle et les trois états connus de neutrinos se mélangent les uns aux autres pendant leur propagation. 
Un travail publié par le CEA-Irfu a déclenché un regain d’activité sur la thématique des neutrinos stériles. Cet article démontre qu’un déficit moyen de 7% de neutrinos est détectés par rapport aux prédictions théoriques. C'est l'anomalie des neutrinos de réacteur. Par analogie avec les déficits connus de neutrinos induits par les oscillations dans les secteurs solaire et atmosphérique, ce nouveau déficit à courte distance peut être interprété par l'existence d'un nouvel état de neutrino, un neutrino stérile. Si elle est prouvée, l'existence de cette particule serait une découverte majeure, avec un impact fort dans la physique des particules et la cosmologie. 
Dans les trois ans du projet, Stéréo propose la réalisation d’une mesure de précision à moins de 10 m du cœur compact du réacteur de recherche ILL (Grenoble, France). Le concept de détection est basé sur l'interaction des neutrinos dans un scintillateur liquide (LS). Le volume cible est segmenté suivant la direction du cœur en 6 cellules (1,0 x 1,0 x 0,4 m3). Elles sont remplies de LS dopé au Gd en vue de signer la capture radiative du neutron, corrélée avec l'annihilation d’un positron. Une couronne externe, remplie de LS sans Gd, récupère une partie des fuites de rayons pour améliorer l'efficacité de détection et la résolution en énergie. 

Installation à Grenoble

Printemps 2016 : Montage du détecteur interne au CNRS/LPSC de Grenoble et transport vers l'ILL:

Eté 2016 : Etapes d'assemblage des blindages plomb (Pb), polyéthylène (PE) et magnétique (mumétal) sur l'aire de montage du réacteur:

Automne 2016 : Mise en place de l'ensemble détecteur + blindage sur le site du réacteur. Les 93 tonnes (!) sont déplacées sur coussins d'air depuis l'aire de montage jusqu'à la casemate de prise de données. Avec cette technologie un homme aurait suffit pour le déplacer. Mais bon, le réacteur a insisté pour que le déplacement soit complètement sécurisé par un rail de guidage ancré au sol et des câbles d'amarrage répartis devant et derrière Stereo... alors on a fait comme ça. 

Au cœur des dernières innovations pour la détection de particules, l’Irfu a développé des télescopes à muons très performants réalisant des cartographies 2D en densité (ou « muographies ») d’une précision remarquable. Equivalent à un télescope optique qui permet de voir la matière éclairée par la lumière visible, un télescope à muons permet de sonder  l’intérieur de grandes structures denses grâce à ces particules élémentaires qui nous arrivent naturellement de l’atmosphère.  En juin 2016, une équipe de l’Irfu rejoint la mission ScanPyramids  en déployant  trois télescopes à muons autour de la pyramide de Kheops. Ils pointent alors vers l’arête Nord-Est de la pyramide, et plus précisément vers une encoche située à 150 m de distance où se cache une petite cavité d’environ 9m² déjà repérée par les égyptologues.  Le but de cette campagne de mesure est de valider les performances des télescopes en détectant cette cavité cachée 5 m sous l’arête et invisible depuis le sol.

Réalisée à Belfort par General Electric sous la supervision du CEA/IRFM, la première bobine de champ toroïdal pour le tokamak supraconducteur JT-60SA a quitté Saclay pour Naka le 17 mai. Réceptionnée à Saclay le 17 décembre 2015, les équipes de l'Irfu lui ont fait subir une série de tests cryogéniques et ont installé son système de maintien externe. Elle s'appelle Annie depuis le 6 avril. Les tests de qualification en conditions opérationnelles de fonctionnement se poursuivront jusqu’en 2017 à Saclay pour les 19 bobines afin permettre le démarrage de JT-60SA en 2019.