Prospective INP: Physique Fondamentale

Science des analogues : gravitation et cosmologie analogues, Germain Rousseaux (07/02/2023)

Regard croisé avec le Panel « Systèmes complexes » et la thématique de l’Hydrodynamique Physique puisqu’une des plates-formes françaises en Gravitation Analogue utilise l’hydrodynamique classique (Institut Pprime). Autres plate-formes françaises : condensat de Bose-Einstein (Laboratoire Charles Fabry), fluide quantique de lumière (LKB), acoustique (LAUM)…

https://indico.ijclab.in2p3.fr/event/8881/contributions/28595/attachments/20415/28284/GDRCOPHY2023-short.pdf

https://link.springer.com/article/10.12942/lrr-2011-3

https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2020/378/2177?_gl=1*kgv1ng*_ga*MTM5ODg1MzM5NC4xNjc1NzU2NjIy*_ga_1L4MRBLQC4*MTY3NTc1NjYyMS4xLjAuMTY3NTc1NjYyMS42MC4wLjA.&_ga=2.104726087.651488361.1675756622-1398853394.1675756622

http://philsci-archive.pitt.edu/20365/

https://arxiv.org/abs/2212.08838

https://www.benasque.org/2023ag/

La Gravitation et la Cosmologie Analogues ont pour ambition de reproduire des phénomènes astrophysiques en laboratoire comme le rayonnement des trous noirs connu sous le nom d’effet Hawking ou la création de particules dans un univers en expansion. En effet, selon une prédiction de Stephen Hawking datant de 1974, les trous noirs devraient émettre spontanément de la lumière à cause des propriétés quantiques des fluctuations du vide alors que classiquement ces objets très massifs devraient empêcher même la lumière de s’en échapper. Comme ils sont en mesure d’émettre de la lumière, il a été découvert que les trous noirs étaient des objets thermodynamiques caractérisés par une température donnée. Cependant, la température des trous noirs astrophysiques est de plusieurs ordres de grandeur plus faible que la température du fond diffus cosmologique, la faible lueur issue du Big Bang, ce qui implique qu’une observation du rayonnement de Hawking en astrophysique est presque impossible. En 1981, William Unruh de l’Université de Colombie-Britannique, a eu l’idée dans son articledans Physical Review Letters intitulé Experimenting Black Hole evaporation ? que cette prédiction devrait s’appliquer de la même manière à des trous noirs dits “analogues” tels qu’un siphon hydraulique dans une baignoire qui piège les vagues lorsque la vitesse du fluide atteint la vitesse des ondes longues de gravité. Grâce aux travaux de Unruh et d’autres chercheurs, il a été compris qu’il y avait de nombreuses similitudes entre la propagation d’une onde acoustique dans un fluide en mouvement et la propagation d’une onde lumineuse dans un espace-temps courbe. En particulier, en acoustique, on peut introduire un tenseur métrique qui rend compte de la courbure effective que rencontre une onde acoustique dans un fluide dont la vitesse moyenne n’est pas nulle : le tenseur métrique devient une fonction explicite de la vitesse du milieu en mouvement. Ainsi en faisant varier une métrique avec l’espace (Gravitation Analogue) ou le temps (Cosmologie Analogue), le laboratoire devient donc un nouveau terrain de jeu pour les physiciens souhaitant tester des prédictions astrophysiques et manipuler des espaces-temps analogues.

Gravité analogue. Défauts topologiques. Sébastien Fumeron (07/02/2023)

• Gravité analogue

La gravité analogue a pour objectif d'étudier théoriquement et expérimentalement des phénomènes relevant de la relativité générale à partir de systèmes physiques équivalents consistant en des champs basse énergie dans la matière condensée. De telles situations concernent par exemple les analogues de trous noirs à partir d'hélium superfluide (Novello, Visser, Volovik), le rayonnement de Hawking à partir d'ondes acoustiques dans un fluide en mouvement (Rousseaux, Unruh, Visser) ou encore les cosmologies de type FLRW à partir de condensats de Bose-Einstein [1]. Ces analogies offrent de nouvelles façons d'aborder les problèmes, permettent d'établir des ponts entre différents domaines de la physique et peuvent créer des opportunités permettant la réalisation d'expériences de cosmologie en laboratoire.

• Défauts topologiques

Dans les scénarii de grande unification, des transitions de phase dans l'univers primordial ont donné lieu à des défauts topologiques de dimension 1 appelés cordes cosmiques [2]. Ces objets pourraient jouer un rôle clé dans la formation des grandes structures et contribuer au secteur sombre. En raison de leurs multiples manifestations observationnelles (effet Kaiser-Stebbins, effet de lentille…), ces objets sont activement recherché (collaboration Planck). Dans les années 1990, des travaux ont montré que la formation de tels défauts est régie par un processus de nucléation, le mécanisme de Kibble-Zurek, identique à celui régissant la formation de défauts topologiques dans les cristaux liquides, et que la géométrie non-euclidienne autour d'une corde cosmique a la même forme que la géométrie autour d'une disinclinaison.

[1]. Barceló, C., Liberati, S., Visser, M. (2011). Analogue Gravity. Living Reviews in Relativity. 14 (3): 3.

[2]. Vilenkin, A., Shellard, E.P.S. (1994). Cosmic strings and other topological defects. Cambridge University Press.

Plateformes pour les mesures de précision.

Un des enjeux est de “démocratiser” l'accès à des signaux d'horloge pour référencer une large gamme de mesures de précision pour la physique fondamentale.

Problématique et enjeux scientifiques : transférer par fibre optique la stabilité et l'exactitude des signaux d'horloge d'un Institut de métrologie (le LNE-SYRTE pour le France) vers n'importe quel laboratoire français qui le souhaite, assurer une cohérence des signaux transférés vers les différents laboratoires, développer des techniques de transfert en espace libre pour couvrir potentiellement tout le territoire

Ce qui existe : il existe l'infrastructure de recherche REFIMEVE qui permet de transférer par fibre optique la stabilité et l'exactitude des signaux de fréquence d'horloge du LNE-SYRTE vers une vingtaine de laboratoires en France et bientôt une trentaine.

Vers où l’on veut aller : Etendre la distribution au transfert de temps afin de permettre de synchroniser extrèmement précisément des mesures - étendre la distribution au transfert en espace libre (sur de + courtes distance) afin d'élargir le transfert vers n'importe quel endroit

Verrous : Pas de verrous fondamentaux, mais déficit de moyens humains compétents pour ces développements, qui demandent des compétences en physique, optique et électronique

Rupture : Ouverture vers les sciences de la terre et les sciences de l'univers, car cela permet aussi des mesures de précision pour ces domaines

Principales actions à envisager à court terme : rien de particulier

Gravité quantique, Marc Geiler et Etera Levine, 16/02/2023

Problématique et enjeux scientifiques : En dépit des connaissances accumulées sur la théorie quantique et la relativité générale, et de leurs nombreuses vérifications expérimentales, il n’existe pas à ce jour de théorie complète de la gravitation quantique. Cet état de fait empêche de répondre à certaines questions, portant par exemple sur le devenir des singularités en relativité générale, sur l’évaporation d'Hawking des trous noirs, et de manière générale sur la théorie quantique des champs en présence d’un fort champ de gravitation. Sur le plan conceptuel, la gravité quantique doit permettre de valider ou d’invalider l’universalité de la théorie quantique, et de comprendre si la gravitation est une théorie fondamentale ou un phénomène émergent. Nous sommes, de plus, sur le point de faire basculer la gravitation quantique vers l'expérimental, à travers les mesures d'ondes gravitationnelles, d'observation de véritables trous noirs et de l'élaboration de protocoles mêlant systèmes quantiques et gravitation aux échelles microscopiques.

Ce qui existe : Plusieurs approches sont regroupées derrière la motivation de construire un cadre mathématique et/ou phénoménologique pour décrire et étudier une théorie quantique de la gravitation. Il est possible de distinguer :

• Les approches frontales, qui appliquent les méthodes de quantification éprouvées (quantification canonique, intégrale de chemin, quantification géométrique) soit à des formulations classiques de la gravité, soit à d'autres théories dont les degrés de liberté seraient potentiellement plus fondamentaux que ceux de la métrique. Parmi ces approches on trouve la gravité quantique à boucles, la théorie des cordes, et de manière générale les approches discrètes à la géométrique quantique. On peut inclure également les approches de type théorie des champs comme les modèles de matrice et modèles de tenseurs.
• Les approches indirectes, qui visent à comprendre ou à dériver les propriétés quantiques de la gravité par l'étude d’autres systèmes. Il s’agit par exemple de l’étude de modèles analogues (fluide ou matière condensée), des approches thermodynamiques, ou de la notion de gravité émergente. Parmi ces approches, on trouve également l’holographie, qui vise à décrire la gravitation quantique par l’intermédiaire d'une théorie des champs duale.

Ces approches ont toutes leurs succès et leurs limitations, mais cependant aucune ne de dégage comme étant une théorie complète qui permette de répondre à toutes les questions conceptuelle et techniques.

Vers où l’on veut aller : Sur le plan théorique, il s’agit d’outrepasser les limitations techniques qui existent dans chacune de ces approches candidates à la gravité quantique. L’holographie, dont l’avatar principal à ce jour est AdS/CFT, doit être développée également pour les espaces (asymptotiquement) plats et de Sitter à 4 dimensions d’espace-temps. Nombre de résultats obtenus dans des modèles simplifiés en 2d (gravité Jackiw-Teitelboim par exemple) et 3d (holographie plate en 3d, représentation des groupes de symétrie asymptotiques) doivent être étendus à 4d. En gravité quantique à boucles, il s’agit d’affiner et d’éliminer les ambiguïtés dans les différentes prédictions qui existent à ce jour, notamment concernant les transitions trou noir / trou blanc, la cosmologie quantique et l’évitement des singularités, et le calcul d’amplitudes Lorentziennes par l’utilisation de méthodes numériques de précision. A long terme, il faut faire converger les différentes théories candidates à la gravité quantique vers les mêmes questions physiques et mathématiques. De cette manière, il sera possible de comparer ces différentes approches entre elles par l’étude de scénarios et de situations physiques concrètes. Cela permettra sans doute de trouver des points de convergence et de combiner les techniques développées à ce jour. Avec le développement de la cosmologie de précision et de l’observation des ondes gravitationnelles, il faut également anticiper les mesures à venir et leur potentielle importance pour le régime de la gravité quantique. Certaines théories, comme la gravité quantique à boucles, ont déjà un cadre prédictif pour la cosmologie quantique et l’inflation, ainsi que pour les trous noirs réguliers et autres modifications de la relativité générale héritées de la théorie quantique. Ces directions de recherche sont la clef pour connecter un jour la gravité quantique avec les observations indirectes.

Verrous : Le principal verrou est la fragmentation et la non-perméabilité des communautés (holographie, théorie des cordes, gravité quantique, physique mathématique). On peut pointer également le manque de moyens pour recruter des postdocs, ce qui est en partie un frein à l’intégration de la communauté française dans l’environnement international.

Rupture : Dérivation et identification de signatures claires de la gravitation quantique, discriminant entre les diverses théories et modèles, potentiellement mesurables dans les observations cosmologiques, astrophysiques ou des expéreriences de type information quantique réalisables en laboratoire.

Convergence de plusieurs approches vers un cadre cohérent, comme par exemple obtenir une formulation holographique locale complète de la relativité générale, permettant sa quantification sans équivoque.

Principales actions à envisager à court terme : Favoriser le rapprochement et la communication entre les différents centres d’expertise en gravité quantique: Lyon, région parisienne, Marseille, Dijon, Montpellier, Tours, Grenoble, Annecy. Création d'un GDR “Gravitation Quantique”, qui irait au-delà des différends historiques entre les diverses approches à la gravitation quantique. Développement de réseaux au niveau Européen, e.g. doctoral networks pour favoriser à terme la collaboration entre les divers groupes français et les interactions avec l'international.

Taille de la communauté à l'international : Des centaines de chercheurs et chercheuses.

Intégrabilité, note envoyée par Marc Magro, 20/02/2023 Pour établir ce document, j’ai contacté un collègue par laboratoire (J. Avan au LPTM, P. Baseilhac à l’Institut Denis Poisson, B. Basso au LPENS, Y. Ikhlef au LPTHE, E. Ragoucy au LAPTh, D. Serban à l’IPhT, V. Terras au LPTMS) et mes collègues du Laboratoire de physique en leur demandant d'indiquer les points importants pour le futur. Comme convenu avec Didina Serban et Pierre Vanhove, le document ‘Non-perturbative methods in Quantum Field Theory’ rédigé par l’IPhT lors de la phase initiale de la prospective n’est pas reproduit ci-dessous. Ce document doit donc être rajouté au présent document. Cette prospective pour l’Intégrabilité montre qu’il existe beaucoup de dynamiques de rupture. La première caractéristique de l’évolution à l’horizon 2030 est donc que de nombreux domaines de la physique (matière condensée, physique statistique, physique théorique des hautes énergies…) vont pouvoir continuer à bénéficier de résultats exacts. Cela se fera notamment grâce au développement de nouvelles méthodes de résolution et à l’extension de l’intégrabilité à de nouveaux modèles. L’autre caractéristique, tout aussi importante, est que l’interdisciplinarité avec les mathématiques (groupes quantiques, probabilités, fonctions spéciales…) se poursuivra en continuant à procurer un bénéfice mutuel à la physique et aux mathématiques.

Liste de points importants pour le futur :

• Garder à l’esprit le caractère interdisciplinaire de cette thématique au sens où existent des liens avec matière condensée, physique statistique, théories des cordes, probabilités et plus généralement mathématiques.
• Universalité dans les modèles intégrables et lien avec les probabilités (il y a une grande révolution en ce moment, notamment soulignée par la médaille Fields décernée à Hugo Duminil-Copin, liée aux progrès récents sur la description rigoureuse des propriétés d’une transition de phase grâce à un mariage de techniques issues de l’intégrabilité et des probabilités).
• Approche rigoureuse aux théories quantiques intégrables en 1+1 dimensions (les progrès récents ouvrent la voie à une description totalement rigoureuse et explicite de ces théories. En particulier, il y aura sûrement de grands progrès dans la direction de l’étude et la compréhension de la structure universelle de ces théories dans le régime ultraviolet).
• Universalité à température finie en une dimension spatiale (la description de l’universalité à température basse mais finie et surtout en présence d’une dynamique est une question encore essentiellement ouverte à laquelle l’intégrabilité peut contribuer grandement).
• Développement d’une nouvelle approche de la méthode de séparation des variables quantiques (déduite de l'algèbre abélienne de ses charges) et son application à la dynamique (facteurs de forme et fonctions de corrélation) des modèles intégrables (application potentielle à des modèles intégrables ne pouvant pas être résolus par les techniques standards liées à l’ansatz de Bethe). En particulier, les résultats récents de cette approche pour les modèles de rang supérieur et les conditions intégrables générales peuvent sous-tendre une description détaillée d'un modèle intégrable fondamental tel que le modèle de Hubbard.
• Modèles intégrables sur réseau en dimensions plus grandes que deux via une approche géométrique de l’intégrabilité (équations de courbure nulle pour le transport parallèle d’objets étendus, comme des lignes, des surfaces,etc.) et l’utilisation de la nouvelle méthode de séparation des variables quantique (pouvoir aller génériquement au-delà de la dimension deux s’inscrit dans une dynamique de rupture pour l’ensemble du domaine).
• Systèmes intégrables et compréhension des phénomènes hors d’équilibre, étude de l’effet d’une brisure de l’intégrabilité sur l’évolution hors d’équilibre. Thermodynamique hors équilibre, hydrodynamique généralisée, exemples intégrables/quasi-intégrables, modèles ASEP
• Les blocs conformes, centraux dans l'étude des théories des champs (super-)conformes de dimension supérieure, ont été récemment identifiés comme des fonctions d'onde des familles de systèmes intégrables. L'approche de séparation des variables devrait être donc centrale dans leur caractérisation complète, en les factorisant en valeurs propres des charges conservées commutantes avec des relations séparées extraites de l'algèbre commutative de ces charges, c'est-à-dire l'élément défiant de l'intégrabilité quantique.
• Chaînes de spin intégrables, ansatz de Bethe; systèmes avec bords, ansatz de Bethe modifié, Séparation de variable
• Groupes quantiques, matrice R, structures algébriques générales des systèmes intégrables classiques et quantiques: déformations “dynamiques”, twists.
• Liens entre structures algébriques intégrables et structures algébriques conformes (algèbres q-W)
• Systèmes intégrables quantiques à N corps et fonctions spéciales (polynômes de Jack, Macdonald, Koornwinder, …)
• Comprendre l’origine de l'intégrabilité dans la limite planaire des théories de jauge et construire une preuve de la correspondance AdS/CFT entre la théorie N=4 SYM et la théorie des cordes AdS5 x S5. Étudier aussi grâce à l’intégrabilité d’autres cas : soit modèles avec moins de supersymétrie, soit modèles avec des défauts, soit modèles déformés qui présentent une possibilité de rupture en allant au-delà de la correspondance AdS / CFT.
• Développer une approche rigoureuse pour la quantification des modèles sigma intégrables (avec applications en théorie des cordes et en matière condensée). Rupture en ce sens qu’une telle approche est inexistante depuis 40 ans.
• Une formulation du modèle à six vertex de type Ising a récemment été proposée par Bazhanov-Sergeev, et offre une approche très novatrice et prometteuse en systèmes intégrables en dimension deux et plus. Celle-ci montre que le modèle statistique en 2d à 6 vertex peut être construit à partir de blocs élémentaires impliquant des spins de type Ising à interaction en proches voisins. Dans cette formulation, l'équation de Yang-Baxter associée au groupe quantique sous-jacent provient d'une séquence de relations 'star-triangle' plus élémentaires. Ces dernières sont plus adéquates pour les modèles statistiques en dimension supérieure, et donc ce travail ouvre potentiellement la voie aux modèles intégrables en dimension trois.
• Les nouvelles perspectives en lien avec les groupes quantiques, concernant les modèles intégrables et la physique en basses dimensions. A ce sujet, on notera d’une part la reformulation originale de problèmes fondamentaux de la physique des modèles Zn de spins grâce au cadre des groupes quantiques à la racine-(n+1) de l'unité. Le point clé ici est l'utilisation extensive de la théorie des groupes quantiques permettant de construire une matrice de transfert d'un modèle quantique en 1+1 pour les modèles Zn de spins. Cette nouvelle approche devrait permettre d'obtenir les exposants critiques exacts associées à des observables de type géométrique dans ces modèles. D’autre part, on notera l’existence de nouvelles présentations des groupes quantiques dites 'équitables' apparues en algèbre (Ito-Terwilliger-Weng). Celles-ci admettent une présentation alternative en termes d'algèbres de type Freidel-Maillet. Cette formulation à la Freidel-Maillet ouvre donc la voie à l'étude des systèmes intégrables associés aux présentations dites équitables des groupes quantiques, et nécessite l'introduction de nouveaux objets et concepts (matrice K universelle, en plein essor actuellement en algèbre) ainsi qu’une adaptation des techniques usuelles (ansatz de Bethe algébrique, séparation de variables) dans le but d’obtenir des informations physiquement intéressantes.
• L'étude des fonctions spéciales joue un rôle très important en physique mathématique (systèmes intégrables, théorie de la représentation, étude des EDP,…). En particulier, les polynômes orthogonaux à une variable du schéma d’Askey ont permis de nombreuses avancées et ont été récemment utilisés pour le calcul d'intrication quantique, ou dans la théorie de la représentation. Dans cette perspective, le développement des études de ces polynômes pour les cas multivariés devient donc très important. L'introduction récente des algèbres sous-jacentes associées à ces polynômes donne de nouvelles perspectives prometteuses pour la caractérisation de ces fonctions spéciales.

Neutrinos, Volpe, 08/03/2023

Onglet « Physique des particules » Dans la partie « Saveur »

1) Les Neutrinos, actifs et au delà – Majorana et 00vv\beta, stériles, see-saws, nouveaux phénomènes de conversion de saveurs, autres propriétés non-standard (désintégration, moment magnétique, etc…), neutrinos et entanglement

Onglet « Astroparticules » A) Dans la partie introductive « Astroparticules »

Pour les points : • télescopes à neutrinos de basse et de haute énergie (IceCube, Hyper-Kamiokande, DUNE, JUNO, KM3Net, GRAND…) • rayonnement électromagnétique et neutrino émis par les supernovae, les kilonovae

Dans le texte : - « […] contreparties électromagnétique et neutrino (processus-r) à la fusion d'étoiles à neutrons produisant des ondes gravitationnelles (GW170817) […] » - « […] neutrinos de basse énergie, découverte prochaine du fond diffus des neutrinos de supernovae et propriétés des neutrinos […] » - « […] à l'astrophysique de haute et de basse énergie et à la physique des particules (théorique et expérimentale) […].»

B) Dans la partie «Astrophysique nucléaire» :

• Nouveaux phénomènes de conversion de saveur des neutrinos et processus de nucléosynthèses (par exemple processus-r) dans les milieux denses

C) Dans le paragraphe final :

Bien que le paragraphe se réfère à “cosmologie, astroparticules, et gravité” :

L’astrophysique des neutrinos de basse énergie représente un exemple de la synergie entre « astrophysique des objets compacts, astrophysique nucléaire et physique au-delà du modèle standard ». En effet l’étude des phénomènes de conversion de saveurs dans les milieux denses – supernovae et kilonovae – est étroitement lié à la physique au-delà du modèle standard et au processus-r. Il est également essentiel pour l’interprétation des observations futurs des neutrinos de supernovae et du fond diffus des neutrinos de supernovae.

Neutrinos, C Volpe (2eme contribution, 02/06/2023) voir pdf ici

Gravité Quantique (2eme contribution envoyée par Etera Livine, Marc Geiler, Simone Speziale) Ce texte a été préparé avec plusieurs autres experts du domaine, dont Marc Geiller (LP ENSL, Lyon) et Simone Speziale (CPT, Marseille). Mots-clés:

- Perturbative QFT methods: mathematical structure of amplitudes, UV completion, application to gravitational waves - Non-perturbative approaches: loop quantum gravity, path integrals, spinfoams, random geometries (matrix and tensor models) - Effective field theory: unitarity, causality, swampland program, asymptotic safety - Quantum cosmology, theory and observation - Interface with geometry in mathematics: non-commutative geometry, generalized geometries - Interface with quantum foundations (e.g. “gravitizing the quantum”) - Interface with quantum information and quantum simulations of gravitational systems - Quantum gravity phenomenlogy in cosmology (proposals for dark matter and dark energy) and in astrophysics (e.g. black holes in modified gravity) - Quantum gravity in the lab: experimental tests of quantum gravity, e.g. on Bose-Einstein condensates, acoustic black holes and analogue models - Black hole physics: Hawking radiation, information paradox, ER=EPR conjecture, singularity resolution, out-of-equilibrium physics - Quantum chaos and glassiness : SYK, JT gravity and the physics of extremal black holes - Holography and dualities: asymptotic holography (AdS/CFT, flat space holography, celestial / Carrollian holography, role of asymptotic symmetries) and finite-distance holography (gravitational edge modes, quasi-local symmetries)

Voici également un texte sur cette thématique :

Problématique et enjeux scientifiques : En dépit des connaissances accumulées sur la théorie quantique et la relativité générale, et de leurs nombreuses vérifications expérimentales, il n'existe pas à ce jour de théorie complète de la gravitation quantique. Cet état de fait empêche de répondre à certaines questions, portant par exemple sur le devenir des singularités en relativité générale, sur l'évaporation d'Hawking des trous noirs, et de manière générale sur la théorie quantique des champs en présence d'un fort champ de gravitation. Sur le plan conceptuel, la gravité quantique doit permettre de valider ou d'invalider l'universalité de la théorie quantique, et de comprendre si la gravitation est une théorie fondamentale ou un phénomène émergent. Nous sommes, de plus, sur le point de faire basculer la gravitation quantique vers l'expérimental, à travers les mesures d'ondes gravitationnelles, d'observation de véritables trous noirs et de l'élaboration de protocoles mêlant systèmes quantiques et gravitation aux échelles microscopiques.

Ce qui existe : Plusieurs approches sont regroupées derrière la motivation de construire un cadre mathématique et/ou phénoménologique pour décrire et étudier une théorie quantique de la gravitation. Il est possible de distinguer : 1) Les approches frontales, qui appliquent les méthodes de quantification éprouvées (quantification canonique, intégrale de chemin, quantification géométrique) soit à des formulations classiques de la gravité, soit à d'autres théories dont les degrés de liberté seraient potentiellement plus fondamentaux que ceux de la métrique. Parmi ces approches on trouve la gravité quantique à boucles, la théorie des cordes, et de manière générale les approches discrètes à la géométrique quantique. On peut inclure également les approches de type théorie des champs comme les modèles de matrice et modèles de tenseurs. 2) Les approches indirectes, qui visent à comprendre ou à dériver les propriétés quantiques de la gravité par l'étude d'autres systèmes. Il s'agit par exemple de l'étude de modèles analogues (fluide ou matière condensée), des approches thermodynamiques, ou de la notion de gravité émergente. Parmi ces approches, on trouve également l'holographie, qui vise à décrire la gravitation quantique par l'intermédiaire d'une théorie des champs duale. Ces approches ont toutes leurs succès et leurs limitations, mais cependant aucune ne de dégage comme étant une théorie complète qui permette de répondre à toutes les questions conceptuelle et techniques.

Vers où l'on veut aller : Sur le plan théorique, il s'agit d'outrepasser les limitations techniques qui existent dans chacune de ces approches candidates à la gravité quantique. L'holographie, dont l'avatar principal à ce jour est AdS/CFT, doit être développée également pour les espaces (asymptotiquement) plats et de Sitter à 4 dimensions d'espace-temps. Nombre de résultats obtenus dans des modèles simplifiés en 2d (gravité Jackiw-Teitelboim par exemple) et 3d (holographie plate en 3d, représentation des groupes de symétrie asymptotiques) doivent être étendus à 4d. En gravité quantique à boucles, il s'agit d'affiner et d'éliminer les ambiguïtés dans les différentes prédictions qui existent à ce jour, notamment concernant les transitions trou noir / trou blanc, la cosmologie quantique et l'évitement des singularités, et le calcul d'amplitudes Lorentziennes par l'utilisation de méthodes numériques de précision. A long terme, il faut faire converger les différentes théories candidates à la gravité quantique vers les mêmes questions physiques et mathématiques. De cette manière, il sera possible de comparer ces différentes approches entre elles par l'étude de scénarios et de situations physiques concrètes. Cela permettra sans doute de trouver des points de convergence et de combiner les techniques développées à ce jour. Avec le développement de la cosmologie de précision et de l'observation des ondes gravitationnelles, il faut également anticiper les mesures à venir et leur potentielle importance pour le régime de la gravité quantique. Certaines théories, comme la gravité quantique à boucles, ont déjà un cadre prédictif pour la cosmologie quantique et l'inflation, ainsi que pour les trous noirs réguliers et autres modifications de la relativité générale héritées de la théorie quantique. Ces directions de recherche sont la clef pour connecter un jour la gravité quantique avec les observations indirectes.

Verrous : Le principal verrou est la fragmentation et la non-perméabilité des communautés (holographie, théorie des cordes, gravité quantique, physique mathématique). On peut pointer également le manque de moyens pour recruter des postdocs, ce qui est en partie un frein à l'intégration de la communauté française dans l'environnement international.

Rupture : Dérivation et identification de signatures claires de la gravitation quantique, discriminant entre les diverses théories et modèles, potentiellement mesurables dans les observations cosmologiques, astrophysiques ou des expériences de type information quantique réalisables en laboratoire.

Convergence de plusieurs approches vers un cadre cohérent, comme par exemple obtenir une formulation holographique locale complète de la relativité générale, permettant sa quantification sans équivoque.

Principales actions à envisager à court terme : Favoriser le rapprochement et la communication entre les différents centres d'expertise en gravité quantique: Lyon, région parisienne, Marseille, Dijon, Montpellier, Tours, Grenoble, Annecy, Poitiers. En particulier pour améliorer le dialogue entre théoriciens et expérimentateurs. Création d'un GDR “Gravitation Quantique”, qui irait au-delà des différends historiques entre les diverses approches à la gravitation quantique. Développement de réseaux au niveau Européen.

Taille de la communauté à l'international : Des centaines de chercheurs et chercheuses.