École de Physique des Astroparticules - I
Physique des Astroparticules

Contexte Scientifique

La physique des astroparticules investit aujourd'hui des problématiques aussi diverses que l'origine et la propagation des particules-rayonnements, la masse des neutrinos, la proportion d'anti-matière dans l'univers, l'existence et l'origine de la matière noire, l'invariance de Lorentz, la physique des processus gravitationnels à champs forts, etc. Ces dernières années, les expériences associées à cette thématique se sont considérablement développées et leurs résultats suscitent toujours plus d'enthousiasme. Dans la perspective d'assurer une formation conséquente dans ce champ explicitement interdisciplinaire, cette école abordera les thèmes suivants :

•    Théorie du rayonnement cosmique
Il s'agira de caractériser les processus de création, d'accélération, de propagation du rayonnement cosmique, et d'exposer les différentes modélisations des sources; ces aspects théoriques étant abordés dans les thématiques développées dans cette école (astronomie gamma, neutrinos, sursauts, etc)

•    Astronomie gamma
L'astronomie gamma au sol (énergies au-delà de 100 GeV) est une discipline phare dans le vaste champ de l'astrophysique des particules, qui a véritablement pris son essor dans les années 90 avec le satellite EGRET (découverte de nombreuses sources non-identifiées). Elle a connu une avancée spectaculaire depuis 2003 avec les résultats du télescope HESS (Prix Descartes de l'Union Européenne). Situé en Namibie dans l'hémisphère sud, ce dernier a permis le premier relevé systématique du Plan Galactique au TeV, la cartographie de plusieurs vestiges de supernovae et de plusieurs plérions, la mesure du spectre des rayons cosmiques dans la région centrale de la Galaxie, la découverte des premiers sytèmes binaires émetteurs gamma, ou encore l'observation de nouveaux noyaux actifs de galaxie et de microquasars lointains permettant de borner le fond diffus de lumière infrarouge. Ce type d'astronomie est devenu à la fois crucial et incontournable, entre autres dans le cadre de l'étude des mécanismes non-thermiques siégeant dans les sources. L'étude de ces sources nécessite une couverture complète du spectre électromagnétique, de la bande radio aux gammas (et des données simultanées dans le cas des sources variables). Complétant la partie du ciel accessible à HESS, le télescope MAGIC opère depuis l'hémisphère nord ; les extensions de ces instruments sous forme de réseaux de télescopes, dont l'objectif est d'accroître de manière drastique leur sensibilité, sont également en cours d'élaboration (CTA). Le lancement du satellite GLAST en 2007 contribuera en outre à cartographier le ciel gamma entre 30 MeV et 300 GeV, avec des perspectives de découvertes sans précédent (au vu des projections actuelles).

•    Sursauts gamma
Les sursauts gamma sont les phénomènes cosmiques les plus énergétiques observés jusqu'à présent. Leur étude a connue plusieurs avancées depuis que leur origine cosmologique a été établie. Ainsi, si le modèle dit de la « boule de feu » explique correctement les caractéristiques globales de ces objets, il reste toujours a comprendre dans quelle mesure et dans quel intervalle de paramètres (masse, métallicité ...) une supernova de coalescence peut produire un tel événement. De même, les nombreuses cassures, rémanences, sont difficiles à interpréter dans le modèle canonique. Le rôle respectif et l'observabilité des différents types de chocs (internes, externes et en retour) ne sont pas bien compris, tout comme l'interaction avec le milieu interstellaire. La gigantesque luminosité de ces sources et les distances auxquelles elles sont observées en font aussi des objets de choix pour explorer l'univers et les galaxies jusqu'aux régions de réionisation. Le satellite SWIFT collecte des données depuis 2004 (le redshift moyen de l'échantillon actuel est de z=2,8) et pourrait détecter de l'ordre d'une dizaine de sources entre z = 6 et 10. L'intérêt pour la cosmologie est donc réel, mais leur exploitation nécessite de mettre en œuvre une chaine d'instruments qui allie des moyens spatiaux (HETE, SWIFT actuellement, et bientôt SVOM/ECLAIRs) avec des instruments au sol (petits télescopes rapides comme TAROT , TAROT-sud et ROTSE, dans le futur le GFT, avec des moyens lourds comme le Keck et les VLT). Des observations d'EGRET ont montré que ces sources pouvaient émettre des photons de haute énergie (20 GeV) sur des durées relativement longues. Les lancements prochains de AGILE et GLAST permettront d'étudier plus finement ce domaine d'énergie et d'en comprendre l'origine. Par ailleurs, ces sources ont été invoquées pour la production de neutrinos de hautes énergies, éventuellement détectables par un détecteur de l'échelle d'un km3, ou d'ondes gravitationnelles (dans le cas des sursauts courts, que l'on pense être dûs à la coalescence de systèmes binaires). L'école sera donc l'occasion de faire une revue sur les instruments présents et futurs dédiés à l'observation des sursauts gamma, également d'essayer d'en comprendre la physique, à la lueur des résultats expérimentaux les plus récents, puis de décrire leur utilisation pour la physique stellaire et la cosmologie.
•    Rayons cosmiques chargés
Le satellite PAMELA est dédié à l'observation des rayons cosmiques à basses charges et à des énergies au-delà de 50 MeV. Mis en orbite en juin 2006, il fournira bientôt ses premières données sur la mesure des flux de positrons et d'anti-protons, permettant éventuellement de déceler des signatures indirectes de l'origine de la matière noire. L'expérience AMS-2 permettra une séparation isotopique plus fine, elle sera embarquée sur la station spatiale internationale en 2008. L'expérience en ballon CREAM fournira des caractéristiques spectrales des rayons cosmiques et/ou l'étude des changements en abondance qui pourraient être reliés à la limite d'accélération du front d'onde de choc des supernovae.

•    Rayons cosmiques ultra-énergétiques
Situé en Argentine, l'Observatoire Pierre Auger permet l'étude des rayons cosmiques de très haute énergie (au-delà de 10^{18} eV environ), grâce à la détection hybride des gerbes de particules qu'ils induisent dans l'atmosphère. La prise de données a débuté en 2003 et de premiers résultats exploitant la complémentarité des deux types de détecteurs utilisés (réseau de cuves Tcherenkov au sol et télescopes à fluorescence) ont été présentés en 2005, faisant état du grand degré d'isotropie du rayonnement ultra-énergétique. L'augmentation continue de la surface de détection (jusque vers fin 2007) permet l'accumulation d'événements de très haute énergie à un rythme croissant, et les premières sources individuelles pourraient se laisser percevoir prochainement, donnant des indices substantiels sur l'origine de ces particules. Pour exploiter pleinement ce nouveau type d'astronomie, des projets plus vastes encore sont en développement, comme Auger Nord ou le projet spatial JEM-EUSO, tandis que des techniques de détection complémentaires sont mises au point, avec l'étude de l'émission radio des gerbes atmosphériques géantes (CODALEMA).

•    Neutrinos
La détection de neutrinos cosmiques est un enjeu important en astrophysique des hautes énergies, car elle permettrait de trancher sur la nature hadronique ou leptonique des particules énergétiques responsables de l'émission non thermique des différentes sources. Ces particules sont extrêmement difficiles à observer car elles n'interagissent que très faiblement avec la matière ordinaire. Leur détection requiert alors un volume cible gigantesque, ce qui se traduit par le déploiement de détecteurs sur des sites en profondeur hors du commun (glaces polaires, fond des mers). Dans l'expérience AMANDA, opérationnelle depuis 2000, les détecteurs sont enfouis sous la glace antarctique. Les neutrinos de haute énergie observés jusqu'à présent par ce dispositif, à un taux d'environ 1000 par an, sont compatibles avec une origine atmosphérique consécutive à l'interaction du rayonnement cosmique avec les atomes de la haute atmosphère. Quant au télescope à neutrinos ANTARES, il utilise comme réceptacle un espace situé dans des profondeurs abyssales de la mer Méditerranée. Les premiers détecteurs dédiés à la physique ont été immergés en 2006. Une fois complet, fin 2007, il contribuera aussi à l'observation du centre galactique, grâce à son positionnement dans l'hémisphère Nord, en attendant la construction de détecteurs de taille plus grande, atteignant des surfaces effectives de l'ordre du km^{2} (IceCube, KM3Net).

•    Matière noire & autres composantes exotiques
L'école vise également à apporter une formation dans des sujets liées à la nouvelle physique, dont la matière noire est le principal représentant. Elle est l'une des grandes énigmes de la physique fondamentale contemporaine. Émargeant à plusieurs disciplines, sa mise en évidence fait appel à plusieurs champs expérimentaux. Son annihilation possible en particules standards, au coeur des galaxies ou des amas de galaxies, la met en lien avec les thématiques présentées plus haut (rayonnement cosmique, astronomies gamma, neutrinos), dans le cadre de recherches de signatures indirectes. En outre,  de manière complémentaire aux accélérateurs de particules, sa détection directe fait appel à des détecteurs ultra-sensibles situés sous terre permettant la mesure d'un éventuel dépôt d'énergie issu de l'interaction des particules de matière noire avec le matériau cible. Parmi les nombreux projets, les plus récents qui ont fourni des résultats sont EDELWEISS, CDMS et PICASSO. En constante évolution, leur sensibilité augmente au gré des améliorations techniques apportées aux détecteurs. Par ailleurs, les théories au-delà du modèle standard de la physique des particules prédisent l'existence de nouvelles particules qui pourraient être présentes dans le rayonnement cosmique (monopoles, axions, wimpzillas, particules susy, etc). Les techniques expérimentales présentées dans le cadre de cette école permettent également de contraindre leurs propriétés.
LES GRANDS AXES DU PROGRAMME
Le programme de cette école a une tendance assez généraliste,  il met en évidence les point forts des thèmes suivants :
  • Neutrino
  • Gamma et GRB
  • Sources et processus d'UHE
  • Matière noire
  • Rayons cosmiques et accélérateurs cosmiques
Il vise à couvrir autant les aspects observationnels que théoriques.

Comité Scientifique

Michel Boer, Observatoire de Haute Provence
Josè Busto, Centre de Physique des Particules
Paschal Coyle, Centre de Physique des Particules
Bernard Degrange, Laboratoire Leprince-Ringuet, Palaiseau
Yves Gallant, Laboratoire de Physique Théorique et Astroparticules
Stavros Katsanevas, Astroparticule et Cosmologie
Julien Lavalle, Centre de Physique des Particules		 Benoit Lott, Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan
Jean Orloff, Laboratoire de Physique Corpusculaire, Clermont-Ferrand
Etienne Parizot, Astroparticule et Cosmologie
Guy Pelletier,  Laboratoire d'Astrophys. de l'Obs. de Grenoble
Pierre Salati, Laboratoire d'Annecy le Vieux de Physique des Particules
Roland Triay, Centre de Physique Théorique

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