Prospective INP: Physique Fondamentale

• Cadre Général: Un spectre sur plusieurs ordres de grandeur

Pour comprendre la nature de la Matière Noire, il faut exploiter la synergie entre des types d'expériences très differents de Physique des Particules, Astroparticules, Cosmologie, métrologie, Ondes Gravitationnelles. La recherche dans ce domaine inclut la R/D sur les détecteurs, l'analyse des données, la modélisation des bruits de fonds, et les fits globaux de modèles de matière noire aux données.

• Contraintes sur la matière noire:
  • Contraintes par analyse des observables astrophysiques (courbes de rotation, abondance des satellites, super-radiance des trous noirs, micro-lentillage…)
  • Contraintes par analyse des observables cosmologiques: CMB, grandes structures (catalogues de galaxies, lentillage gravitationnel faible…)
  • Contrainte par analyse des observables de la physique multi-messager des astroparticules (détraction indirecte par rayons cosmiques chargés, rayons gamma, neutrinos à haute énergie, spectra des étoiles et supernovae; propriétés des mergers produisant des Ondes Gravitationnelles…)
  • Contrainte provenant des accélérateurs
  • Analyse des expériences de détection directe en laboratoire: bolomètres, télescopes à axions, détecteurs de matière noire ultra-légère… Comment dépasser le seuil des neutrinos?
  • Exploration des contraintes sur les trous noirs primordiaux provenant de la Cosmologie (CMB, grandes structures), des données astrophysiques (rayons X, microlentillage), de la théorie (prédiction du spectre de masse, du taux de fusion/merging, du spin)…
  • les fits globaux sont complexes et nécessitent le développement d'outils numériques avancés (MicroMEGAS, GAMBIT, …)

Mais pour être certain de détecter le modèle correct de matière noire au moyen des fits globaux, il faut envisager tous les modèles théoriques possibles, et calculer les observables dans chaque modèle avec une précision suffisante. Le point de départ est l'exploration de tous candidats viables du point de vue théorique:

• Modèles de physique des particules
  • Au delà du paradigme WIMP (vers la frontière du MeV ; liens entre production MN et asymétrie baryonique; role de l'hypothèse de naturalité; liens avec la masse des neutrinos; modèles de matiere noire atomique; role des médiateurs, portail avec le secteur sombre…)
  • FIMP et autres modes de production (non thermiques)
  • matière noire ultra-légère, en auto-interaction, superfluide…
  • Axions. Les très petites masses et très faibles couplages. Apport de la métrologie. Voir contribution extraite du sondage INP

• Recherche de matière noire ultra-légère avec des expériences à basse énergie

Les expériences utilisant les horloges atomiques, les transitions moléculaires et également les oscillateurs ultra-stables testent les modèles de matière noire de type « ultra-light dark matter » dans des gammes de masse allant de 10−22 à 10−9 eV [Hess2016, Derevianko, Savalle2021]

• Réseaux de magnétomètres et d'horloges atomiques et moléculaires (ions ou espèces neutres) pour la détection de signaux transitoires de matière noire
  • mesure de variations temporelles des constantes fondamentales (oscillations, transitoires)
  • mesure de différences de fréquences en comparant les spectres des énantiomères d'une molécule chirale
• Interférométrie atomique
  • mid-frequency gap (i.e. 0.01 Hz - 10 Hz corresponding to masses between about 1e-16 eV and 1e-13 eV)
• Recherche d'axions / expériences de biréfringence du vide
• Forces exotiques dépendant du spin dues aux axions et aux ALP (axion-like particles)
• Expérience ARIADNE (axion resonant interaction detection experiment) vise à rechercher les interactions monopole-dipôle à courte portée entre les noyaux à l'aide de techniques de RMN (axion mass = 10−6 - 10−3 eV)
• Détection de matière noire bosonique (0.2 et 20 eV) par absorption résonante sur un gaz de petites molécules polyatomiques
• Physique de la matière condensée, circuit quantique hybrides pour pour la détection de particules axioniques du halo galactique

• horloges atomiques (microonde, optique), nucléaires et moléculaires, horloges à ions “classiques” et à ions lourds multi-chargés, horloges à ions moléculaires
• spectroscopie ultra-précise (métrologie des fréquences) d'atomes et de molécules du domaine RF à l'UV, développement de standards de fréquence
• Interférométrie atomique
• magnétométrie et RMN
• mesure de précision sur des systèmes chiraux
• physique de la matière condensée, physique mésoscopique

• refroidissement des degrés de liberté internes et externes, manipulation cohérente, ingénierie quantique des différents degrés de liberté et technologies quantiques
• spectroscopie par logique quantique
• utilisation de références de fréquence métrologiques sur réseau fibré
• développement de réseaux de capteurs et d'horloges : des expériences synchronisées sur des systèmes atomiques et moléculaires exploitant des liaisons par fibre optique, pour sonder les variations transitoires des constantes fondamentales et pour la recherche de la matière noire.

• Systèmes de Référence Temps-Espace, Laboratoire de Physique des Lasers, Laboratoire Aimé Cotton, Laboratoire de Physique de l'ENS, Laboratoire Kastler-Brossel
• Forte activité à l'internationale