Prospective INP: Physique Fondamentale

Le terme “astroparticule multi-messager” désigne l'étude des lois de la physique fondamentale - et en particulier de la physique des particules - à partir de l'ensemble des signaux voyageant dans le milieu inter-galactique et dans la galaxie. Ce domaine est en pleine expansion en raison de l'intense activité au niveau mondial pour collecter toutes sortes de données en provenance de l'espace:

• rayons cosmiques chargés (HERD, AMS-02, AugerPrime, TAx4, POEMMA), notamment d'anti-matière (GAPS, AMS-02)
• rayons gamma de haute énergie (Fermi, CTA, HAWK, LHAASO, SKAO, EHT), d'énergie intermédiaire MeV-GeV (AMEGO, ASTROGAM, APT, COMPAIR, ADEPT, GECCO…), rayons X (eROSITA, ATHENA)
• telescopes à neutrinos (IceCube, Hyper-Kamiokande, KM3Net, GRAND…)
• ondes gravitationelles pour mesurer les détails des étoiles à neutrons dans les systèmes binaires, les disruption de marée (tidal disruptions), …
• rayonnement électromagnétique émis par les supernovae, les kilonovae
• observations de la période des pulsars en rayon x et ondes radio
• observation de l'environnement des trous noirs supermassifs (SgrA*, M87*) avec des techniques d'interférométrie modernes, en radio (EHT) ou en infrarouge (GRAVITY)

Ces différentes techniques permettent d'observer les mêmes événements sous différents points de vue: contreparties électromagnétiques à la fusion d'étoiles à neutrons produisant des ondes gravitationnelles (GW170817), association entre blazars vus dans différentes bandes de longueur d'onde (TXS0506+056) et sources de neutrinos de haute énergie (~100TeV), association angulaire entre neutrinos d'énergie ~10TeV et galaxies actives proches (NGC1068), association probable entre neutrinos de haute énergie et événements de déchirement gravitationnel (TDE).

Il existe aussi une forte synergie entre ces données d'origine astrophysique, les données de Cosmologie et les expériences de Physique des Particules en laboratoire:

• grands accélérateurs (LHC, ILC…)
• détection directe de Matière Noire de type WIMP (XENON, LZ, PANDA-X, DARKSIDE, PICO, CRESST-III, EDELWEISS, SuperCDMS…), axion/ALP (MADMAX, CAPP), candidats légers (DAMIC, SENSEI, DARKSIDE, XENON)…
• expériences de physique nucléaire, de détection d'ions lourds
• expériences d'oscillation et de désintégration de neutrinos (KATRIN, PINGU, JUNO, DUNE, T2HK…)

L'exploration de ce domaine requiert de combiner des expertises sur plusieurs champs de recherche, de la physique des plasmas dans des conditions extrêmes (milieux relativistes non-collisionnels, fortement magnétisés, à grande densité de rayonnement, et parfois composés de matière+anti-matière) à l'astrophysique des hautes énergies et à la physique des particules (théorique et expérimentale). Pour exploiter toutes ce synergies, interpréter les données et tester une éventuelle nouvelle physique, il faut améliorer notre modélisation théorique de nombreux phénomènes :

• Accélérateurs cosmiques

Ce domaine explore les mécanismes d'accélération mis à l'oeuvre pour porter des particules chargées (électrons, ions) à très haute énergie. Ces particules peuvent soit peupler le spectre du rayonnement cosmique galactique ou extra-galactique, soit produire par interaction avec les fonds radiatifs ou les plasmas ambiants des photons et neutrinos secondaires de haute énergie. Les mécanismes d'accélération étudiés sont la reconnexion magnétique, l'accélération aux ondes de chocs, ou l'accélération dans une turbulence. Cette physique de l'accélération est donc directement relié à certains problèmes fondamentaux de physique des plasmas. La physique impliquée est riche. Elle fait intervenir des processus non-linéaires et multi-échelles, car il faut souvent prendre en compte la réaction en retour des particules accélérées sur les champs électromagnétiques qui pilotent l'accélération (e.g. via la turbulence ou des instabilités plasma), parfois même le rayonnement qu'elles produisent.

Afin de connecter ces processus microphysiques aux phénomènes astrophysiques, il est nécessaire d'aboutir à une modélisation avancée des sources sur des échelles spatiales souvent bien inférieures à celles qui sont directement accessibles à l'observation. Parmi les sources les plus étudiées, on peut citer les supernovae, amas d'etoiles, les objets compacts (pulsars et trous noirs) et leur environnement, et les systèmes binaires composés d'un objet compact et d'une étoile compagnon, ou même de deux objets compacts, ou enfin à plus grande échelle, les galaxies actives et jets relativistes.

• Transport cosmique

Un problème fondamental, au coeur de la phénoménologie du rayonnement cosmique, mais aussi de tout processus d'accélération de particules, est de comprendre la physique du transport de particules chargées dans une turbulence magnétisée, avec un processus de diffusion multi-échelle. Ce champ de recherche suscite un intérêt grandissant en cosmologie, car il est désormais reconnu que les rayons cosmiques galactiques, en se couplant à la dynamique du gaz galactique, influent sur la structure et l'évolution des galaxies.

• Nouvelle physique et astroparticule multi-messager
  • Tests de nouvelle physique a partir du spectre des différents rayons cosmiques (excès dus à la Matière Noire, …) De nouvelles données a plus basse énergie (MeV-GeV) vont par exemple ouvrir une fenêtre vers des candidats de Matière Noire plus légers
  • Tests de nouvelle physique (par exemple, propriété des neutrinos, de candidats de matière noire lourds ou légers, d'axions) grâce au spectre d'emission ou à l'évolution des objects compacts (soleil, autres étoiles, naines blanches, supernovae, étoiles à neutrons)
  • Tests à partir de la corrélation croisée entre les anisotropies des observables multi-messager (cartes des rayons cosmiques, des grandes structures, du CMB, des ondes Ondes Gravitationnelles)
  • Tests des Théories de gravité ou de la physique des plasmas en champ gravitationnel fort à partir de l'observation de l'environnement des trois noirs supermassifs.

• Astrophysique nucléaire
  • Etude de la transition QCD, physique nucléaire dans les milieux denses (pulsars, supernovae, kilonovae, étoiles à neutrons)

Dans le contexte actuellement très dynamique des domaines “cosmologie, astroparticules, et gravité”, qui se recouvrent des plus en plus souvent pour expliquer de façon cohérente des phénomènes tels que, par exemple, la matière noire, l'accéleration de l'expansion ou les ondes gravitationnelles, il apparaît comme essentiel de réduire le cloisonnement entre les diverses communautés. Par exemple, la synergie entre “astrophysique des objets compacts, astrophysique nucléaire, gravité modifiée et physique au-delà du modèle standard” bénéficierait considérablement d'une incitation au dialogue entre les communautés, grâce à l'organisation d'ateliers ou la mise en place de structures adaptées.