Prospective INP: Physique Fondamentale

Nous avons essayé de filtrer toutes les contributions qui, à notre avis, relèvent, de la physique fondamentale, théorie. Vu le volume de données, certaines contributions ont pu nous échapper. N'ayant pas recu de réclamation, notre listing semble ok.

Mots-clefs : Intrication quantique et espace-temps, Complexité quantique en théorie quantique des champs et gravitation quantique, Nouvelles méthodes numériques basées sur l’information quantique pour simuler les théories quantiques des champs, Trous noirs et paradoxe de l’information quantique,

Problématique et enjeux scientifiques : Des concepts de l’information quantique tels que l’intrication, les circuits quantiques et la complexité quantique apportent de nouveaux éclairages sur les interactions fondamentales, la théorie quantique des champs et potentiellement sur l’origine de l’espace-temps. L’approche est fondamentalement différente du paradigme traditionnel basé sur les échelles d’énergie, les champs et leurs symétries, les fonctions de corrélations et les amplitudes de diffusion. L'information quantique pourrait ainsi fournir une nouvelle perspective sur de nombreux aspects des théoriques des champs, comme les symétries, le flot du groupe de renormalisation, les phases, le transport et la thermalisation. Un autre enjeu important de l'information quantique est de fournir de nouvelles approches de la simulation numérique des théories quantiques des champs (QCD sur réseau par exemple), la possibilité de la simulation quantique et de fournir de nombreux liens avec la matière condensée où ses nouvelles technologies numériques ont été développées Ce qui existe : Il y a eu de nombreux développements depuis 10 ans dans notamment dans la communauté de la gravitation quantique en utilisant des idées et techniques de la théorie de l’information quantique. De nombreux progrès sur le problème de la définition et de la caractérisation de l'intrication dans la théorie quantique des champs et la gravitation ont été effectués. La correspondance AdS/CFT ou une approche holographique joue un rôle fondamental en reliant notamment la géométrie de l’espace-temps à l’entropie d’intrication de la théorie conforme duale via la formule de Ryu-Takaynagi. Ces développements ont montré que des avancées majeures dans la compréhension de la gravité quantique, de la théorie quantique des champs et d'autres aspects de la physique fondamentale peuvent être réalisées en mettant à profit les connaissances et les techniques de la théorie quantique de l'information. Vers où l’on veut aller : Le « It from bit » de John Archibald Wheeler en 1990, formule soulignant que l’importance centrale de l’information pour comprendre l’univers, est maintenant devenu « It from Qubit

Réponse de : Individuel

Mots-clefs : Phases métalliques de la matière sans quasiparticule, Modèle Sachdev-Ye- Kitaev (SYK), Trous noirs et holographie, Dynamique et chaos quantique dans les systèmes quantiques fortement corrélés,

Problématique et enjeux scientifiques : La théorie des liquides de Fermi décrit les propriétés métalliques de la matière à basse température et repose sur l’existence de quasiparticules bien définies. Des phases de la matière avec un comportement non-liquide de Fermi ont été observées et demandent un changement de paradigme. Un tel changement vient d’émerger avec une connexion surprenante entre un modèle de physique quantique désordonné, le modèle SYK, et la physique des trous noirs. Ces systèmes ont le temps de relaxation le plus rapide permis par la physique quantique en ħ/kBT (dissipation planckienne) et un chaos maximal. La phase métallique étrange des cuprates semble être un exemple de métal planckien caractérisé par une dissipation planckienne et l’absence de quasiparticule. Avoir une compréhension théorique de ces métaux est l’un des grands défis de la matière condensée, et semble être atteignable grâce aux progrès récents sur le modèle SYK et ses liens profonds avec les trous noirs. Ce qui existe : La théorie des liquides de Fermi décrit les propriétés des métaux à basse température et repose sur l’existence d’excitations bien définies : les quasiparticules donnant lieu à une résistivité quadratique en température. Depuis l’avènement des supraconducteurs à haute-température critique, des phases métalliques étranges avec une résistivité linéaire en température ont été observées, dont l’origine reste l’un des plus grands mystères de la matière condensée. Une piste est que ces métaux appartiennent à une nouvelle classe métallique, les métaux planckiens, caractérisée par la plus rapide dissipation de l’énergie permise par la physique quantique et l’absence de quasiparticule. Cette dissipation planckienne, fixée par la constante de Planck et de Boltzmann, nécessite un nouveau cadre théorique : l’étude de la matière sans quasiparticule. Des progrès remarquables récents ont été accomplis avec une connexion de ces métaux et de leur intrication quantique avec la physique des trous noirs par l’intermédiaire du modèle SYK.

Vers où l’on veut aller : Une question centrale des systèmes fortement corrélés est l’étude des phases de la matière sans excitations de type quasiparticule. Un métal planckien est un exemple d’une telle classe de problème, dont le cadre théorique demande à être élucidé à deux dimensions. L’observation expérimentale d’une dissipation planckienne universelle dans plusieurs familles de métaux ouvre la voie à de nouvelles avancées théoriques pour décrire les métaux étranges. Les progrès récents avec l’étude du modèle SYK et sa connexion avec la physique des trous noirs suggèrent que la forte intrication quantique et le chaos maximal à temps court dans ses problèmes représentent des pistes importantes pour décrire théoriquement les métaux étranges. Un autre challenge est de trouver une réalisation expérimentale du modèle SYK qui fournira ainsi une simulation quantique des trous noirs chargés en 1+1 dimensions, et permettra de répondre à des questions fondamentales associées aux théories quantiques des trous noirs. Verrous : La phase des métaux étranges des cuprates a été étudiée depuis 35 ans sans réel succès, tant l’absence de quasiparticule demande une approche non-perturbative des fermions à deux dimensions, ce qui est pour l’instant irréalisable même si des avancées ont été réalisés depuis 3 décades. Il y a ainsi de nombreux verrous théoriques mais les progrès accomplis très récemment par cette connexion des métaux étranges aux trous noirs par le modèle SYK semblent suggérer que la théorie des métaux étranges est peut-être à portée de main. Rupture : Fournir un cadre théorique aux métaux étranges, ou décrire les phases de matière sans quasiparticule, représente l’un des plus grands défis de la matière condensée. Principales actions à envisager à court terme : Antoine Georges a effectué un cours cette année au Collège de France intitulé « des métaux étranges aux trous noirs : autour des modèles SYK » et a organisé un colloque sur cette problématique. Ce cours rassemblait des chercheurs et chercheuses des systèmes fortement corrélés et de la gravitation quantique. Compte-tenu du large spectre de ce thème de recherche, allant de la matière condensée et à la gravitation, en passant par la théorie des cordes, et à son côté émergent, il me parait important de structurer cette communauté à l’échelle nationale et d’organiser ainsi un GDR sur ce sujet le plus rapidement possible, tant le sujet est « chaud ». Taille de la communauté en France : Des personnes travaillent sur ces sujets en matière condensée et aussi sur les aspects holographiques. Des contributions intéressantes ont été effectuées. De plus, il y a des expérimentateurs qui ont fait des contributions importantes sur le sujet récemment, notamment en observant cette dissipation planckienne dans les cuprates. Il me parait important de rassembler ces forces. Taille de la communauté à l'international : La taille de la communauté à l’international, notamment aux US est très importante et rassemble des expérimentateurs, des experts de la matière condensée, et depuis les travaux de Kitaev sur le modèle SYK en 2015, les principaux experts de la gravitation quantique et des cordes se sont mis à l’étude de cette relation entre les trous noirs et la physique du modèle SYK.

Raffaele Tito D'Agnolo, CEA IPhT Saclay (UMR 3681) Réponse de : Équipe

Mots-clefs : Métrologie Quantique, Matière Noire, Ondes Gravitationnelles,

Problématique et 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

H. Saleur, D. Serban et E. Perlmutter, UMR 3681 (UMR 3681) Réponse de : Équipe

Mots-clefs : Quantum field theory, Non-perturbative methods, Bootstrap method, AdS/CFT duality,

Problématique et enjeux scientifiques :

Non-perturbative problems - that is, problems that cannot be tackled by a perturbative expansion around a well-controlled limit - are taking the center stage in modern theoretical physics. This is due in no small part to experimental developments, ranging from the recent observation of black hole collisions in astrophysics to the emergence of topological matter in solid state physics.

Ce qui existe :

While traditional numerical methods remain of fundamental importance to tackle these problems, analytical approaches are crucial, in particular to provide benchmarks and help build a new physical intuition adapted to the new phenomenologies encountered - e.g. the appearance of phases not distinguishable within the classical Landau paradigm. Quantum field theory is at the moment the best tool to approach non-perturbative problems analytically. The discipline is in a state of upheaval, started by the explosion of conformal field theory after the initial works of the late eighties and early nineties. Recently, new methods such as generalized hydrodynamics, the bootstrap and the AdS/CFT duality have led to unexpected progress on a series of supposedly intractable problems - from the characterization of anomalous transport properties in low-dimensional strongly coupled systems to the almost solution of the three dimensional Ising model to a precise characterization of duality between quantum field theories and string theories and the application of techniques from scattering amplitudes devised for high-energy physics to general relativity.

Vers où l’on veut aller :

Progress remains brisk, and a series of further breakthroughs - for instance, the solution of all two-dimensional CFTs, to solving higher dimensional CFTs, to finding string duals to more generic quantum field theories, new black hole solutions or efficient analytical tools for gravitational wave physics - appear to be just around the corner. Focusing on a more distant perspective, the bootstrap technique, for instance, is still in its infancy, and we expect progress within 5 to 10 years to reach fundamental problems such as four-dimensional QCD, the black hole information paradox and finding a consistent theory for quantum gravity. Techniques of artificial intelligence will play an important role in this. Turning to condensed matter, spurred in particular by progress in cold atoms experiments, progress in integrability out of equilibrium is steady, and it is reasonable to expect exact solutions of most difficult problems in, for instance, nanoelectronics. Apart from purely analytical progress, exact solutions have also provided a better understanding of quantum field theory that can be used to devise new techniques of numerical simulations, in particular in the field of quantum computing.

Verrous :

The main hurdles to progress are that, for the moment, most of the existent exact analytical tools are limited to low dimensions, and exact dualities with string theories are limited to conformal field theories. An explicit consistent quantum theory of gravity is only known for two dimensions or less; further development in higher dimensions would be essential. Moreover, stable solutions for string theories correspond to spaces with negative curvature, while the universe is known to be of positive curvature.

Rupture :

The experience with AdS/CFT integrability shows that exact analytical tools can be extended successfully to higher dimensional quantum field theories, albeit to less realistic ones with high degree of symmetry. One rupture point is to devise methods to solve theories where these symmetries are only approximately valid. On the other hand, the recently revived and flourishing field of conformal bootstrap is applicable to any dimension, and its progress in this field goes hand-in-hand with the understanding of mathematical properties of conformal field theories.

Principales actions à envisager à court terme :

A synergy of efforts in different research fields is necessary, putting together expertise in bootstrap, integrability, scattering amplitudes, general relativity, black hole physics, and strongly correlated (disordered) condensed matter systems. Collaborations could be achieved via projects, common research programs, conferences and schools. ANR projects involving cross disciplinary research in the aforementioned fields should be encouraged.

Taille de la communauté en France :

The field is one of the assets of French theoretical physics: the community is playing an outsize role at the international level, with very strong groups in Saclay, the ENS, the IHES and at Polytechnique. This originates in part in the strong mathematical culture in the country, and the tradition of interaction with the mathematics community. Many of the non-perturbative problems in physics are indeed of interest to mathematicians as well, and the techniques they have invented to tackle them - like the Schramm Loewner Evolution - can be fruitfully

Pierre Vanhove, pour l'équipe physique gravitationnelle de l'IPhT, IPhT (UMR 3681) Réponse de : Équipe

Mots-clefs : Théorie de la gravitation, Calculs perturbatifs post-minkowskien, Observations d’ondes gravitationelles,

Problématique et enjeux scientifiques : La détection des ondes gravitationnelles fournit une opportunité nouvelle de comprendre la physique de la gravitation dans un contexte nouveau. La phase d'attraction entre les deux corps massifs (trous noirs, et étoiles à neutrons) peut être analysée grâce à des calculs en perturbation. Les détections actuelles et la mise en route de nouveaux détecteurs terrestres et spatiaux nécessitent une très bonne connaissance analytique des formes d’ondes dans la phase spiralante.

Ce qui existe : L'analyse des formes d'ondes pour les ondes gravitationnelles est un sujet ancien, commencé avec les calculs historiques d'Einstein. La combinaison de l’approche post-Newtoniennes, de la relativité générale numérique, et Effective One Body, a permis l'identification des formes des ondes gravitationnelles. Ces techniques sont, depuis quelques années, accompagnées de techniques de calcul d'amplitudes dans un formalisme relativiste. Ces approches complémentaires apportent un éclairage nouveau sur les structures fondamentales. Tout d'abord, comprendre comment calculer les observables de la gravitation classique à partir d'amplitudes quantiques a nécessité une reformulation des calculs de perturbations en théorie des champs pour l'interaction entre deux corps massifs. Les calculs post-minkowskien donnent des expressions analytiques exactes à tous les ordres en la vitesse, ce qui réduit grandement l'incertitude théorique dans l'analyse des formes d'ondes. Vers où l’on veut aller : Afin d'avoir une compréhension fine des observations, il est nécessaire d'obtenir des résultats analytiques pour les formes d’ondes en perturbation jusqu'à l'ordre 6 au moins. Il est aussi nécessaire de déterminer aussi précisément que possible la dépendance dans les spins des objets massifs. Les effets de marées sont aussi à prendre en compte de manière systématique. Évaluer ces effets demande de développer les techniques de calcul et de comprendre finement la relation entre les calculs d'amplitudes, et les divers phénomènes comme la radiation. Enfin, il est utile de penser la théorie de gravitation dans le cadre des théories effectives pour envisager une analyse plus générale de la physique gravitationnelle, au-delà de la théorie d'Einstein.

Verrous : Les difficultés principales sont l'inclusion du spin dans les calculs perturbatifs. La dépendance vis-à-vis du spin mène à des complications analytiques et calculatoires qui nécessitent de développer de nouvelles approches théoriques. Il y a aussi la difficulté conceptuelle de la compréhension du rayonnement gravitationnel comme l'effet mémoire non-linéaire. Il y a la question importante des théories au-delà de relativité générale. Dans le cadre des théories effectives il est possible d'analyser diverses extensions de la théorie d'Einstein de la gravité. À l'heure actuelle aucune des approches utilisées ne permet d'obtenir une résolution satisfaisante de ces problèmes.

Rupture : L'approche par les calculs d'amplitude a apporté à la physique de l’interaction gravitationnelle des systèmes binaires un point de vue conceptuel nouveau, et un formalisme qui permet d’accéder directement à des résultats invariants relativistes (valide à tous les ordres en la vitesse relative du système binaire). Ce point de vue permet de reformuler des questions fondamentales des interactions gravitationnelles dans le cadre familier des théories des champs effectifs, qui est le cadre théorique utilisé pour comprendre les interactions fondamentales. Réciproquement, comprendre cette physique gravitationnelle classique à partir d’une approche inspirée par la physique des hautes énergies a mené à une reformulation de la relation entre théorie quantique et classique. Principales actions à envisager à court terme : Pour l'instant, la priorité est de réaliser une synergie entre les communautés des calculs post-newtonien, calculs post-minkowskien, et des analyses des formes d'ondes. Ceci passera par une organisation de collaborations entre les divers groupes de recherche à travers de mise en commun de moyens humains et informatiques. Taille de la communauté en France : Il y a en France de nombreux groupes travaillant sur les aspects théoriques des ondes gravitationnelles: CEA (IPhT, IRFU), Orsay (IJCLab), IHES, IAP, Meudon, APC. Il a actuellement deux types de profils dans la communauté française : celle de l'approche post-newtonienne qui a débuté il y a quelques décennies, et celle des calculs d'amplitudes plus récentes. Des liens se forment entre ces deux communautés, et une action est sûrement à entreprendre pour les renforcer et les favoriser. La taille estimée en France est d'une centaine de chercheurs. Taille de la communauté à l'international : Des milliers de chercheurs.

M. Grana et I. Bena, pour l'équipe théorie des cordes de l'IPhT, IPhT (UMR 3681) Réponse de : Équipe

Mots-clefs : Quantum gravity, String theory, Effective actions, Cosmology, Particle Physics,

Problématique et enjeux scientifiques : This emerging scientific theme concerns establishing a new paradigm in quantum gravity, packaged in a set of general principles that any quantum theory of gravity coupled to matter fields must satisfy. It has been argued that almost all seemingly consistent quantum field theories are incompatible with quantum gravity and are doomed to belong to the “quantum gravity Swampland”. The compatibility conditions between a QFT and quantum gravity are oftentimes unexpected from a low- energy point of view. Finding the fundamental origin of the Swampland constraints will very likely change the way we construct theories to describe the early universe and physics beyond the standard model. They will elucidate the physics of de Sitter space in quantum gravity, a question that is relevant for the nature of dark energy and the fate of our universe, and shed light on mysterious fine-tuning problems in particle physics. Ce qui existe : The Swampland approach to quantum gravity relies on several interesting conjectures: the weak-gravity conjecture states that gravity must always be the weakest force. This condition is closely related to the prohibition of global symmetries in quantum gravity. The distance conjecture states that directions in the scalar-field space associated to large field excursions are accompanied by an infinite tower of particles whose mass goes to zero exponentially fast in field-space distance. During the last years it became clear that the space of theories consistent with Quantum Gravity (the landscape) is apparently of measure zero compared to all possible theories one can construct. Furthermore, the fact that a theory is in the landscape is determined by a subtle interplay between gravitational physics in the UV and the physics of the effective field theories in the IR. The microscopic origin of this novel phenomenon of UV/IR mixing, is not understood. Vers où l’on veut aller : We intend to find the structure of the landscape of theories consistent with quantum gravity and to pinpoint the consequences of swampland constraints in particle physics and cosmology. We plan to focus on several interrelated questions: a.) given the absence of low-energy supersymmetry in collider experiments, we need to elucidate how supersymmetry is broken in quantum gravity; b.) we need an alternative and basic explanation of the hierarchy problems in particle physics without relying on low-energy supersymmetry. This will come from understanding the origin of the new UV/IR mixing; c.) we believe swampland arguments will allow to find an explanation of the pattern of the known particles; d.) we need to answer the question whether a fundamental theory of quantum gravity allows a cosmological constant. Answering these questions should yield a robust and general framework to calculate the swampland constraints on cosmology and beyond-the-standard-model physics. Verrous : The landscape of low-energy theories consistent with quantum gravity is directly tied to the landscape of vacua of string theory, which is a viable, and arguably so far its only concrete realization. String theory is formulated in ten space-time dimensions and, to make contact with our four-dimensional universe, has to be ``compactified“ on a small six- dimensional manifold. The main “lock” of this challenging program is that current technologies have only allowed the exploration of a small subset of the string landscape: supersymmetric solutions on particular geometries, leading to universes with zero or negative cosmological constant. In contrast, observations are ruling out low-energy supersymmetry and indicating a positive cosmological constant. So far their physics has only been described using models whose consistence with quantum gravity is unclear. Furthermore, attempts to incorporate supersymmetry breaking and a positive cosmological constant in string-theory constructions are so far plagued by various instabilities. Rupture : Perhaps the main theoretical consequence of swampland arguments is that most of the inflation models used by the cosmology community, based on effective field theories describing a slow-rolling field coupled to gravity, are not consistent with quantum gravity. Furthermore, swampland arguments indicate that spaces with a positive cosmological constant have instabilities. This can disrupt research in early-universe cosmology, by eliminating all models that researchers have used to study inflation in the last 40 years. It can also disrupt research in late-time string cosmology, by invalidating all de Sitter constructions in string theory. Furthermore, if a cosmological constant in a weakly coupled low-energy effective field theory is ruled out, the only ways to explain the accelerated expansion of our Universe would be either through quintessence models or through strongly-interacting dynamics. Needless to say, both possibilities would open up new windows into theoretical physics. Principales actions à envisager à court terme : Some of the actions in the short term are related to the implications of swampland constraints to particle physics, such as constraining neutrino masses. In particular, it is an intriguing unexplained coincidence that the cosmological-constant mass scale is quite close to the neutrino mass scale. Applying the anti-de Sitter distance conjecture to the 3+1D compactification to the Standard Model should relate the mass of the lightest neutrino to the cosmological constant scale. Another short-term action is to exploit the cobordism conjecture and other new restrictions on fluxes from tadpole constraints as mathematical tools for the classification of manifolds that are viable in quantum gravity. The physical reason for the cobordism conjecture is that all backgrounds in quantum gravity are apparently connected by domain walls. The cobordism conjecture has tremendous power in constraining the allowed gauge groups in quantum gravity, which we plan to exploit in the short term. Taille de la communauté en France : 30 Taille de la communauté à l'international : 300

Équipe de cosmologie, groupe B (Cosmologie, Particules et Noyaux), IPhT (UMR 3681) Réponse de : Équipe

Mots-clefs : cosmologie, grands relevés, justesse des interprétations, modèles alternatifs ,

Problématique et enjeux scientifiques : Depuis une vingtaine d’années, la cosmologie est devenue une branche à part entière de la physique fondamentale. Les cosmologistes d’aujourd’hui ne se préoccupent pas que de questions quant à l’origine, au contenu et à la structure de l’Univers, ils ont également beaucoup à dire sur la gravitation et la physique des particules. Ce trait est renforcé par l’avènement de grandes campagnes d’observations, telles qu’Euclid, SKA, LSST. Toutefois, la très grande précision de ces relevés ne sera réellement utile que s’ils sont accompagnés d’un cadre théorique suffisamment élaboré. La problématique est donc ici celle de la modélisation, dont l’enjeu est l’exploitation juste et optimale des données expérimentales. Un modèle d’Univers trop simple risquerait de biaiser l’interprétation des données, menant soit à faire des annonces erronées, soit à manquer d’importantes découvertes. Ce qui existe : Le modèle cosmologique standard (ΛCDM) repose sur : - la relativité générale et le modèle standard de la physique des particules ; - une hypothétique particule massive sans interaction (“matière noire”) représentant environ 83% de la masse dans l’Univers ; - une constante cosmologique (“énergie sombre”) permettant l’accélération de l’expansion cosmique ; - le principe cosmologique – l’Univers est homogène et isotrope à grande échelle ; - des conditions initiales gaussiennes, adiabatiques et invariantes d’échelle, compatibles avec le scénario de l’inflation cosmique. Ce modèle est très prédictif. Il est aujourd’hui en accord avec toutes les observations, mis à part une tension de l’ordre de 5 écarts-types entre deux mesures de la constante de Hubble (taux actuel d’expansion de l’Univers) : l’une indépendante de ΛCDM, exploitant distances et décalages spectraux d’objets proches ; l’autre reposant sur le fond diffus cosmologique et ΛCDM. Si cette tension devait perdurer, elle mettrait le modèle en défaut, c’est-à-dire une ou plusieurs de ses prémisses. Vers où l’on veut aller : Deux axes sont à exploiter. Le premier consiste à affiner au maximum les prédictions de ΛCDM, notamment concernant les petites échelles (spectre de puissance, abondance de halos, etc.) en tenant compte de la physique baryonique. Il s’agit d’un effort à la fois théorique et numérique. L’objectif serait de concevoir les tests les plus contraignants possibles de la validité du modèle standard. Le deuxième axe, plus créatif, consiste à identifier et explorer les alternatives viables à ΛCDM parmi, par exemple, les modèles de gravitation au-delà de la relativité générale, les scénarios non-standards de matière noire (trous noirs primordiaux, matière noire tiède, ultra-légère, en interaction, …), les univers non-homogènes, etc. Ici l’objectif est d’éviter de rester trop centré sur le modèle standard faute d’alternatives. Verrous : Des verrous sont surtout présents en travers du second axe mentionné ci-dessus. Celui-ci est mis en péril par l’inertie, l’habitude et un certain court-termisme (dû aux contrats courts). Il a fallu 100 ans pour construire ΛCDM. De nombreux outils, analytiques et numériques, ont été conçus dans ce cadre et seulement dans celui-ci. La richesse et la complexité qui en résultent font qu’aucun autre modèle cosmologique ne dispose d’une maturité comparable. Dans ce contexte, il serait très risqué de dédier plusieurs années à, par exemple, la réalisation d’une simulation cosmologique avec une théorie alternative de la gravitation, ou d’autres symétries à grande échelle : lesquelles choisir ? Rupture : Toute mise en défaut du modèle cosmologique standard ΛCDM constitue automatiquement une remise en question de notre vision de l’Univers et/ou notre compréhension de la physique fondamentale. Principales actions à envisager à court terme : - Confirmer ou réfuter les tensions observationnelles, notamment sur la constante de Hubble (H0) mais aussi sur l’amplitude des fluctuations de densité (σ8). - Développer de nouvelles observables et tests exigeants de ΛCDM, notamment au niveau des petites structures cosmiques. - Intégrer et développer l’astronomie gravitationnelle comme une pièce de l’arsenal expérimental en cosmologie. - Soutenir les projets proposant des cosmologies alternatives, qu’ils soient théoriques ou numériques Taille de la communauté en France : Communauté française de cosmologie : de quelques dizaines à quelques centaines de personnes, en fonction de la façon de compter. Taille de la communauté à l'international : Communauté internationale de cosmologie : plusieurs milliers de personnes.

Laboratoire Aimé Cotton, LAC (UMR 9025) Réponse de : Unité

Mots-clefs : atomes de Rydberg, molécules froides, spectroscopie, corrélation, manipulation cohérente,

Problématique et enjeux scientifiques : Contrôler les systèmes simples (atomes, ions, électrons, molécules) en utilisant leurs interaction avec des champs électromagnétiques eux-mêmes très bien contrôlés, voire façonnés. Elaborer des systèmes nouveaux inexistants dans la nature avec des propriétés “à la demande”. Ce qui existe : Briques de base: gaz quantiques ultra-froids (atomes, molécules), jets atomiques et moléculaires, sources laser, radiofréquence, micro-onde, peignes de fréquences. Vers où l’on veut aller : Combiner plusieurs briques ci-dessus pour élaborer un système nouveau avec des propriétés contrôlables au niveau le plus fin. Combiner l'extrême précision des sources lasers et des gaz quantiques ultra-froids pour des mesures de très haute précision, aux limites du modèle standard. Verrous : - scientifique: accès au régime de contrôle souhaité - conditions de travail: administration lourde; financements aléatoires des projets de recherche sur des durées trop courtes, vers des guichets trop nombreux pour des montants relativement faibles, limitant les possibilités de développements de nouvelles expériences sur le long terme; soutien décroissant en personnel technique spécialisé. Rupture : contrôle ultime de la matière avec la lumière, aux limites des théories existantes Principales actions à envisager à court terme : Augmentation des financements récurrents aussi bien en fonctionnement qu'en équipement, pour réduire les incertitudes sur les développement de projets à long terme. Réaffirmation du rôle d'un laboratoire en tant que brique de base du système de recherche, avec plus d'autonomie pour les DU plus soumis à des contraintes administratives fortes, limitant la réflexion prospective. Taille de la communauté en France : Expérimentale: Molécules froides et ultra-froides: 2 groupes (LPL, LAC), Atomes de Rydberg ~5 groupes (dont LAC), manipulation cohérentes [~100 groupes]

Taille de la communauté à l'international : Molécules froides et ultrafroides (exp) ~100 groupes les autres thématiques en core plus.

Mots-clefs : Physique théorique, Théorie des champs, Théorie des cordes, Cosmologie, Physique mathématique, Problématique et enjeux scientifiques :

Ce qui existe : Des théories effectives (théorie quantique des champs et relativité générale) Vers où l’on veut aller : Vers une théorie quantique de la gravitation. Vers une connaissance de l’énergie et matière noires. Verrous : La créativité et l’intelligence humaine!!!!