Prospective INP: Physique Fondamentale

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====Métrologie quantique pour la physique fondamentale, Raffaele Tito D'Agnolo, CEA IPhT Saclay (UMR 3681) Réponse  d'Équipe ===

**enjeux scientifiques**
La nature microscopique de 80% de la matière observée dans l’univers est inconnue (matière noire). Des particules de masse très petite (comparable ou mineure de celle des neutrinos) et avec des couplages très faibles aux particules connues, sont des candidats idéales pour expliquer cet excès de matière et deux autres problèmes fondamentaux de physique de particules (le problème de la hiérarchie et le problème fort CP). Pour les détecter il est nécessaire d'effectuer des mesures de précision de temps, champs magnétiques, positions et autres paramètres fondamentales. Les développements en cours dans le domaine de la métrologie quantique seront très important dans ce défi de physique fondamentale.

**Ce qui existe :** Prototypes d’expériences pour la recherche des axions (candidats de matière noire) basés sur SQUIDs, amplificateurs avec bruit à la limite quantique, cavités en matériaux supraconducteurs et matériaux polarisés.

**Vers où l’on veut aller :**  Il y a deux axes principaux. D'un coté il faut améliorer les technologies déjà utilisées. Par exemple les facteurs de qualité des cavités en matériaux supraconducteurs ou la volume des matériaux polarisés. Le deuxième axe consiste à augmenter l'intégration des communautés de la métrologie quantique et de la physique des particules. Plusieurs techniques existent déjà dans la première communauté qui sont potentiellement très utiles pour la détection de la matière noire (par exemple les mesures de fréquence à travers “dissipative Kerr solitons”), mais ne sont pas encore appliquées en physique des particules.

** Verrous :** Les différences de langage et de goût dans le choix des problèmes entre les deux communautés. La nature de frontière de ces expériences qui se proposent d’achever une précision jamais atteinte avant et découvrent de nouvelles sources de bruit au long du chemin.
**Rupture : ** L’utilisation efficace de nouvelles technologies quantiques va nous permettre d’interroger l’Univers de manière complètement différente. Nous allons pousser la frontière des couplages faibles (appelé aussi la frontière de l’intensité) et potentiellement arriver à une précision suffisante à détecter des ondes gravitationnelles primordiales. La matière noire de basse masse se comporte dans le laboratoire comme un champ classique et beaucoup des techniques utilisées pour sa détecter peuvent être appliqués aux ondes gravitationnelles de haute fréquence (> kHz). Ces ondes contiennent des informations sur la physique fondamentale à très hautes énergies (beaucoup plus hautes de celles explorées aux collisionneurs des particules) et sur les premiers instants de vie de l’Univers.

**Principales actions à envisager** 
à court terme : Systèmes de financement pour des expériences de taille de petite à moyenne (500k Eur - 3 MEur). Organisation de workshops et surtout écoles pour thésards.
Taille de la communauté en France : De l'ordre de la centaine de personnes
Taille de la communauté à l'international : Quelque milliers de chercheurs, en croissance rapide