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Astroparticules
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)
- neutrinos de haute énergie (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
Il existe une 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 (CRESST-III, EDELWEISS, SuperCDMS…), axion/ALP (MADMAX, CAPP), …
- expériences de physique nucléaire, de détection d'ions lourds
- expériences d'oscillation et de désintégration de neutrinos (KATRIN, PINGU, JUNO, DUNE, T2HK…)
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
- Modélisation et simulation des mécanismes de génération des rayons cosmiques (rayons cosmiques chargés, rayons gamma, neutrinos de haute énergie); prise en compte plus réaliste d'effets microphysiques sur la propagation aux grandes échelles (turbulence, couplages non-linéaires, instabilités des plasmas astrophysiques)
- Modélisation et simulation de l’environnement des supernovae, amas d'étoiles, pulsars, trous noirs, jouant le role d’accélérateurs cosmiques
- Modélisation et simulation des sursauts gamma
- Modélisation et simulation de la propagation des rayons cosmiques et de leur interaction avec l’environnement (milieu interstellaire, champs magnétique…)
- 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)
- 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.