Prospective INP: Physique Fondamentale

Une moisson de nouvelles données cosmologiques va déferler pendant les prochaines années:

• catalogues de galaxies (avec mesure du redshifts et/ou lentillage gravitationnel): DESI, Euclid, Rubin Observatory, Roman Space Telescope, SKAO, pour mesurer les propriétés statistiques de la distribution de matière
• cartographie de raies d'émission spectrale (comme la raie a 21cm) par les futurs radiotélescopes (SKAO, CHIME, HIRAX), pour mesurer le spectre de puissance de la matière, ainsi que pour contraindre l'histoire thermale de l'univers pendant l'age sombre
• cartographie de la polarisation du fond diffus (CMB): Simons Observatory, CMB Stage 4, Litebird… detection possible du mode B primordial… et peut-être, a plus long terme, satellite pour la mesure des distorsions spectrales du CMB
• tests du taux l'expansion dans l'univers recent (règles standard avec BAOs, chandelles standard avec Supernovae ou TRGB, sirènes standard avec mergers et ondes gravitationnelles, mesure de l'evolution temporelle du redshift d'objets donnés avec l'ELT, GAIA, SKAO, CHIME, HIRAX)
• télescopes à ondes gravitationnelles (LISA, CE, ET) pour mesurer la distribution spatiale des mergers, le spectre des fonds stochastiques d'ondes gravitationnelles d'origine astrophysique et cosmologique ou la luminosité des sirènes standard
• abundance des éléments primordial (par exemple dans l'environnement des quasars avec l'ELT)
• morphologie et evolution des galaxies dans l'univers lointain (JWST, …)

La précision de ces données justifie un gros effort théorique pour rendre les prédictions de chaque modèle cosmologique plus précises, et pour explorer de nouveaux modèles qui pourront être testés par ces données - ou qui pourront expliquer d'éventuelles déviations des données par rapport aux prédictions du modèle cosmologique standard.

L'idée de nouveaux développements théoriques dans les prochaines décennies se base également sur des faits scientifiques nouveaux tels que la découverte récente des ondes gravitationnelles, la difficulté à détecter des particules de type WIMPs, ou les progrès des simulations numériques et de l'intelligence artificielle.

Tout ceci constitue un faisceau de motivations pour intensifier la recherche dans les directions suivantes:

• Univers primordial
  • Progrès théoriques sur l’inflation et le reheating (complétude UV, génération de non-gaussianité, génération de trous noirs primordiaux, simulations du reheating)
  • Meilleure compréhension des mécanismes de production d’Ondes Gravitationnelles cosmologiques au-delà de l’inflation standard ((pre)heating, transitions de phase, défauts topologiques, pics dans le spectre primordial, trous noirs primordiaux …)
  • Nouveaux aspects de la physique du CMB: distorsions du spectre de corps noir, bi-réfringence…
  • Compréhension des observables inflationnistes en tant que conséquence des symétries : approche “bootstrap” cosmologique, compréhension des fonctions de corrélation au même niveau que les amplitudes de diffusion en physique des particules, développement des contraintes de l'unitarité et de la positivité dans le cadre de la cosmologie, etc.
  • nouvelles approches fondamentales pour comprendre les conditions initiales de l'univers ou la physique des trous noirs (open quantum system, bootstrap, holographie; role de la physique quantique pendant l'inflation, transition quantique/classique, decohérence, confrontations aux interprétations de la mécanique quantique…)
  • cosmologie des trous noirs primordiaux (mécanismes de production, formation, évolution, accrétion, agrégation, fusion)

• Cosmologie des particules
  • Meilleure compréhension de la baryogénèse / leptogénèse
  • Modélisation à haute précision la nucléosynthèse primordiale (intégrant notamment les progrès sur la mesure des taux de réaction nucléaire)
  • Mécanismes de production de particules reliques du secteur sombre (Matière Noire, radiation noire…)
  • Contraintes cosmologiques (CMB, grandes structures, nucléosynthèse) sur:
    • la masse des neutrinos (détection de la masse à 2 ou 3 sigma plausible dans la prochaine decennie) et sur la physique des neutrinos non-standards (interactions, potentiel chimique, distribution non thermale, neutrinos stériles…)
    • les modèles de Matière Noire (annihilation, intéractions, désintégration, dispersion de vitesse, propriétés quantiques dans le cas de matière noire ultra-légère)
    • les reliques du secteur sombre: composantes multiples de matière noire et radiation noire

• Tests cosmologiques des Théories de gravité
  • Etude de l’impact des modèles de gravité modifiée sur le CMB, la formation des grandes structures aux échelles linéaires et non-linéaires, la nucléosynthèse
  • Mécanismes d'écrantage
  • Recherche de théories cohérentes pour expliquer l'accélération de l'expansion le problème de la matière noire à partir des théories de gravité

• Théorie de la formation des grandes structures aux échelles non-linéaires
  • Approches par théorie des perturbations, renormalisation, théories effectives
  • Modélisation des différentes observables: galaxies, 21cm, émission radio;
  • Progrès dans les simulations numériques (meilleure modélisation des baryons, techniques rapides pour prendre en compte l'effet des neutrinos massifs, simulations pour des modèles de matière noire non-minimaux tels que matière noire tiède ou en interaction, role de l'énergie noire, méthodes multi-échelle)
  • Progrès des techniques d'émulation des simulations, permettant d'analyse des données de façon efficaces; construction d'émulateurs utilisation de l'intelligence artificielle, de l'apprentissage par la machine…
  • Modélisation et simulation des modèles de matière noire “flous” (champs scalaires ultra-légers)
  • Etude des corrélations croisées entre les cartes des grandes structures, celles des Ondes Gravitationnelles et celles des rayons gamma pour comprendre l'origine des trous noirs dans les systèmes binaires (stellaires, primordiaux…), le rôle des trous noirs supermassifs dans la formation des galaxies, ou l'origine des rayons gamma

• Tests des modèles cosmologiques, tensions
  • Confrontation de tous les modèles aux données, en particulier: modèles d'énergie noire, de gravité modifiée, de matière noire; analyse des anomalies, méthodes statistiques
  • Tests du principe cosmologique, de l'homogénéité et de l'isotropie aux grandes échelles
  • Modèles théorique alternatifs pour l’explication des tensions (actuellement, dans le cadre du modèle cosmologique standard LambdaCDM, au moins trois tensions: tension de Hubble, tension S8, et excès de fluctuations aux échelles sous-galactiques; ces tensions pourraient soit se résorber avec une meilleure modélisation des données, soit rester et impliquer l'effet de nouvelle physique)