École de Physique des Astroparticules - II
Avancées en Physique des Astroparticules

Contexte Scientifique

L’engagement croissant de la physique des particules dans ce domaine témoigne d’une volonté de comprendre les phénomènes les plus violents, utilisant l’univers comme un laboratoire. L’interaction constante avec l’astronomie, pour permettre l’identification des sources, et la physique théorique, pour résoudre des problèmes fondamentaux, est la source du dynamisme de cette science « nouvelle » dans laquelle développements expérimentaux et théoriques sont en constante interaction. Ces dernières années, après le tenue de la première école,les expériences associées à cette thématique se sont considérablement développées par leur nombre et leurs résultats. Dans cette perspective, en plus d’une formation généraliste, elle apportera des compléments sur les récents développements. Dans la perspective d'assurer une formation conséquente dans ce champ explicitement interdisciplinaire, cette école abordera les thèmes suivants :

•    Astronomie gamma
L'astronomie gamma au sol a connu une grande avancée depuis 2003 avec le télescope HESS (100 MeV -100 GeV) situé dans l'hémisphère sud, la couverture de l’hémisphère nord étant assurée par le télescope MAGIC.  L’objectif est d’identifier les sources des particules de haute énergie dans l’univers, ainsi que l’étude du milieu où elles se propagent. Avec HESS, on a pu obtenir une carte du centre galactique d'une précision angulaire de l'ordre du dixième de degré. Cela a permis l’investigation des mécanismes de production des rayons cosmiques dans le coeur des galaxies, ou encore de l'origine de la matière noire. En reconnaissance de ses résultats scientifiques, HESS a reçu le prix Descartes 2006 pour la recherche de la Commission européenne. Le lancement réussi en juin 2008 du satellite GLAST contribuera à cartographier le ciel gamma entre 10 MeV et 200 GeV, avec des perspectives de découvertes innovantes. Au vu des projections actuelles, on s’attend à découvrir des millier d’objets hautement énergétiques .  On pourra alors commencer à formuler au mieux les questions concernant les super trous noirs, la fusion des étoiles à neutrons, etc.. pour ce qui est de leur contribution dans ce domaine d’énergie.

•    Sursauts gamma
Depuis plus de 30 ans les astrophysiciens se sont penché sur l'origine des sursauts gamma (GRB), bref éclairs de rayons gamma qui se produisent environ une fois par jour au hasard dans le ciel. Ce sont les phénomènes cosmiques les plus énergétiques jamais observés jusqu'à présent. Le satellite SWIFT est dédié à leur observation dans diverses fenêtres spectrales (gamma, X, optique et UV), il collecte ces données depuis 2004 en vue d’étudier leur origine et leurs spécificités. Sa rapidité à les localiser permet aux télescopes (embarqués ou au sol) de prendre suffisamment tôt le relais pour affiner l’étude de l’afterglow.

•    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 UHE
Située en Amérique du Sud, l'Observatoire AUGER, opérationnel depuis 2003, a été conçu pour la détection et l'étude, avec une précision sans précédent, des rayons cosmiques dont les énergies sont autour et au-dessus de la coupure spectrale de GZK, c'est-à-dire supérieures à 1019 eV. Dans la limite de nos connaissances actuelles, il n'existe aucune explication conventionnelle des mécanismes qui sont à l'origine de la production et l'accélération des particules à de telles énergies macroscopiques. Le projet Pierre Auger est l'unique moyen proposé par la communauté scientifique pour résoudre cette énigme astrophysique vieille de plus de 30 ans. En 2005, l’établissement d’une carte du ciel de ce rayonnement a permis de caractériser les sources et l'existence même de particules se propageant à des énergie au-delà de la coupure dite GZK, ainsi que de contraindre l’anisotropie du rayonnement cosmique. Dans un futur proche, la surface de détection devrait être augmentée, améliorant ainsi sa sensibilité.

•    Neutrinos
La détection de neutrinos cosmiques est un enjeu important en astrophysique des hautes énergies, car elle permettrait de trancher sur l'origine hadronique ou leptonique des mécanismes d'accélération dans les sources de rayons cosmiques. Le neutrino est une particule élémentaire sans charge électrique qui interagit très faiblement avec la matière : contrairement aux autres particules, ce « passe-muraille » est capable de traverser l'Univers en ligne droite sans être arrêté par la matière ou dévié par les champs magnétiques qu'il rencontre sur son passage. Il est ainsi un messager unique en son genre qui peut aider les astrophysiciens à observer et à mieux comprendre certains objets, sièges de phénomènes cataclysmiques.  Cet atout devient pour l’observateur un handicap car ces particules sont extrêmement difficile à percevoir. Leur détection requière alors un volume cible gigantesque, ce qui attribut aux méthodes d’observation une spécificité de nature géologique. Dans cette perspective, on dispose dans chacun des hémisphères terrestres de l'expérience AMANDA, pour laquelle les détecteurs sont enfouis sous la glace antarctique, et du télescope à neutrinos ANTARES, situé dans des profondeurs abyssales de la mer Méditerranée. Pour la première, opérationnelle depuis 2000, l'analyse de ses données leur établi une origine atmosphérique qui est liée à l’interaction du rayonnement cosmique dans l'atmosphère. Pour la seconde, ce n’est que récemment, dans la nuit du 30 mai 2008, qu’a pris fin la construction du plus grand télescope sous-marin à neutrinos. Un événement a été enregistré quelques heures seulement après la mise en opération des 2 nouvelles lignes du détecteur. Rapidement, plusieurs centaines de neutrinos issus de l'interaction du rayonnement cosmique dans l'atmosphère aux antipodes du détecteur on été observés. Il permettra l'observation du centre galactique (de par son positionnement dans l'hémisphère Nord).

•    Détection directe de matière noire
Les expériences dédiées à la détection de la matière noire utilisent généralement des détecteurs ultra-sensibles situés sous terre. Elle visent à mesurer un dépôt d'energie ténue associé à l'interaction du matériau cible. Le contexte de l’observation est fortement lié à la nature même du rayonnement recherché, comme l’existence d’un vent de matière noire résultant du déplacement de la terre par rapport à celle-ci. Ces projets sont nombreux, et les plus récents ayant fourni des résultats sont EDELWEISS, CDMS et PICASSO. En constante évolution, la sensibilité augmente au gré des améliorations techniques apportées aux détecteurs.

•    Ondes gravitationnelles
Prédites par la Relativité Générale, et dont l’existence est indirectement confirmée par l’analyse des données relative au pulsar binaire PSR B1913+16 (prix Nobel de physique en 1993), les ondes gravitationnelles n’ont encore jamais été détectées directement et un tel événement sera une avancée des plus spectaculaires dans les sciences fondamentales . Des interféromètres terrestres ont été construits pour les détecter dont VIRGO situé près de Pise et son exploitation est régit par un consortium franco-italien de collaboration appelé EGO ( European Gravitational Observatory). LISA , un projet NASA/ESA beaucoup plus ambitieux,  un interféromètre spatial, vient compléter ces détecteurs dans une gamme de fréquences différentes. Son lancement est prévu pour 2012- 2013. La technologie très avancée de LISA nécessite d’être testée, grâce à une mission de préfiguration, LISA Pathfinder, qui devrait être lancée prochainement. Ce nouvel observatoire spatial permettra bientôt aux astronomes et aux astrophysiciens d’observer les sources d’ondes gravitationnelles.
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
  • Ondes gravitationnelles
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
Mathieu de Naurois, Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies
Yves Gallant, Laboratoire de Physique Théorique et Astroparticules
Stavros Katsanevas, Astroparticule et Cosmologie
 Julien Lavalle, Dipart. di Fisica Teorica, Università degli Studi di Torino
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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