News IRFU

Démontage de la maquette grandeur nature du miroir du télescope spatial JWST, réalisée par le CEA en 2009 à l'occasion de l'Année mondiale de l'astronomie. Commandée à l'Atelier Alain Pras, cette représentation fidèle reproduit le miroir primaire et secondaire du JWST ainsi que la colonne d'instrument à l'arrière. A l'échelle 1, la maquette reflète les dimensions gigantesques de ce télescope, dont la surface du miroir primaire mesure 25 m². Le JWST (James Webb Space Telescope) a été développé par la NASA, avec la participation de l'Agence spatiale européenne et de l'Agence Spatiale Canadienne. Le CEA a beaucoup participé à la conception de l'instrument, en fournissant notamment l'imageur Mirim. Après avoir résidé pendant plusieurs années au CEA de Saclay, la maquette a été transférée à la Cité de l'Espace à Toulouse. Là-bas, elle bénéficiera d'une mise en valeur avant d'être prochainement exposée pour le plus grand plaisir des visiteurs ! La vidéo est également disponible sur la plateforme Viméo. De?part de la maquette JWST from ExplorNova on Vimeo. Crédits Vidéo : Francis Rhodes / CEA

  L'édition 2023 de l'Appel à Projet Générique (AAPG) de l’ANR concernait cinq instruments de financement, mobilisant une variété de projets de recherche ambitieux. Ces instruments, allant des projets individuels de jeunes chercheurs et chercheuses (JCJC) aux collaborations internationales ou public-privé (PRCI, PRCE), reflètent une diversité captivante dans le paysage de la recherche. Au cœur de cette effervescence, la Direction de la Recherche Fondamentale (DRF) a enregistré une belle progression. Les résultats de l'AAPG 2023 révèlent un taux de succès de 31,4% pour la DRF sur les cinq instruments, marquant une amélioration notable par rapport aux années précédentes, même avec une légère diminution du nombre de projets déposés. Ce taux dépasse celui du CEA et le taux national. Faisant également partie intégrante de cette réussite, l'Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l'Univers (Irfu) s'est distingué avec un taux de succès global de 33% pour l'année 2023. Parmi les 24 projets déposés à l'AAPG et les 3 déposés hors AAPG (ESDIR, Capteurs quantiques et ASTRID), 9 projets ont été sélectionnés, représentant un échantillon prometteur de la recherche à venir. Ces 9 projets retenus, véritables joyaux de l'innovation, seront brièvement présentés ci-après, témoignant de l'excellence et de la diversité des avancées scientifiques à l'Irfu. La vitalité de la recherche française trouve ainsi un écho éclatant dans ces résultats de l'AAPG 2023. Projet CompToN "Computerised Tomography of Nucleons" Projet NURBS  "NUclear Reaction model improvement with Bayesian Statistics" Projet AccessEmergence "Access the Emergence of hydrodynamics with dileptons" Projet DoTPiX "Development of a Technology needed for the PIXel particle detectors" Projet BASKET_P2 "A backward scattering experiment for P2 at MESA" Projet PEGaSUS "Probing and Exploring high-redshift Galaxies Spectroscopically Using Svom gamma-ray bursts" Projet ProGraceRay "PRObing GRAvity at Cosmological scalEs with relativistic RAY-tracing" Projet Widening "A Window on Interstellar Dust Evolution: the NIKA2 Images of Nearby Galaxies" Projet Windtrust "Améliorer la fiabilité des prévisions du vent solaire pour la Terre" Projet CompToN "Computerised Tomography of Nucleons" L'un des objectifs majeurs de la physique hadronique est d'accéder à la tomographie 3D du nucléon en termes de quarks et de gluons. Cette dernière est encodée dans les distributions de partons généralisées (GPD) qui décrivent les processus exclusifs. Après vingt ans de mesures pionnières, la communauté est entrée dans l'ère de la précision avec de nouvelles données expérimentales aux statistiques excellentes. Mais ceci se révèle être un défi. En effet, les physiciens de l'Irfu ont montré qu'une partie de l'information est perdue lors de la déconvolution des GPD à partir de données de processus exclusifs. Ainsi, les techniques d'extraction conventionnelles ne parviendront pas à tirer parti des mesures précises à venir, faisant des incertitudes théoriques les plus pénalisantes dans la compréhension des propriétés des nucléons en 3D. En parallèle, les ensembles de données de simulation à grande échelle promettent une connexion aux GPD sans perte d'information mais sur un petit nombre de configurations cinématiques. Il est nécessaire d'augmenter ces valeurs en imputant les données manquantes pour obtenir un modèle continu répondant à toutes les contraintes théoriques. A travers le projet CompToN, les physiciens de l'Irfu et du CPT uniront leurs expertises pour extraire la tomographie 3D des quarks et des gluons d'une manière innovante : en combinant des jeux de données calculées, des jeux de données expérimentales et des techniques de modélisation de pointe. Ceci réduira fortement les incertitudes théoriques associées aux extractions expérimentales. Des efforts théoriques, phénoménologiques et de simulation sont nécessaires pour prendre le meilleur des deux mondes et résoudre à la fois le problème de déconvolution des données expérimentales et celui d'imputation des simulations à grande échelle. In fine, nous visons une tomographie précise du proton avec 10 ans d’avance sur les attentes de la communauté basées sur le futur collisionneur électron-ion américain. Contact : Cédric Mezrag Projet NURBS  "NUclear Reaction model improvement with Bayesian Statistics" La vaste gamme d'applications de la physique nucléaire, et en particulier celles utilisant des réactions nucléaires, peut être divisée en deux grands régimes. D'abord, il y a le régime de basse énergie (e.g., les centrales nucléaires). Pour ces applications, pratiquement toutes les données nucléaires peuvent être et ont été mesurées. Ensuite, il y a les applications à haute énergie comme l'hadronthérapie (jusqu'à ~250 MeV), les sources de neutrons de spallation et les ADS (~500 MeV à ~2 GeV), les noyaux cosmogéniques (large gamme d'énergie, avec un pic à ~1 GeV), mais aussi les études sur les neutrinos (des centaines de MeV à des dizaines de GeV) et les expériences sur l'antimatière (du repos à plusieurs GeV). En raison d'énergies élevées et des différents types de projectiles concernés, il est impossible de mesurer toutes les données requises et des modèles sont nécessaires. Ces modèles, combinaison d'un modèle de cascade intranucléaire, e.g., INCL++6, et d'un modèle de désexcitation, e.g., Abla, sont capables de prédire le résultat d'une réaction de spallation. Dans ces réactions, de nombreuses particules légères (mésons, neutrons, particules chargées) sont éjectées. Le résultat de l'interaction est la production d'un noyau cible plus léger (ou plus si fission ou multifragmentation se produisent). Ces modèles ont été considérablement améliorés au cours des deux dernières décennies et nous sommes entrés dans une période plus exigeante : la quantification des incertitudes et des erreurs. Dans le projet NURBS, non seulement les incertitudes et les erreurs des simulations INCL++6/Abla seront quantifiées, mais nous améliorerons également les modèles grâce à une optimisation en parallèle de certains paramètres et au retour d'information de ces résultats. Les méthodes utilisées reposent sur la statistique bayésienne où les données expérimentales jouent le rôle de vraisemblance. Contact : Jean-Christophe David Projet AccessEmergence "Access the Emergence of hydrodynamics with dileptons" Les collisions entre deux ions lourds dans les collisionneurs de particules nous permettent d'étudier les propriétés de la matière fortement interagissante avec une densité d'énergie élevée. De telles collisions créent des systèmes petits produisant jusqu'à quelques milliers de particules qui se comportent comme des fluides avec des propriétés remarquables. Les résultats expérimentaux suggèrent que le comportement hydrodynamique émerge sur une échelle de temps relativement courte, une caractéristique qui n'est pas bien comprise d'un point de vue théorique. Afin d'obtenir des informations directes sur les premiers stades de l'évolution de la matière qui précèdent la phase hydrodynamique, nous proposons de mesurer la production de dileptons (paires électron-positron ou muon-antimuon) dans ces collisions dans la plage de masse de 1 à 5 GeV/c². Il s'agit en effet de processus de prééquilibre et pourrait éclairer le mécanisme qui conduit à la thermalisation. Ces dileptons n'ont pas encore été observés car ils sont masqués par un bruit de fond important provenant des désintégrations des hadrons charmés et beaux. L'expérience LHC beauty (LHCb) a été spécialement conçue pour détecter les hadrons charmés et beaux dans les collisions proton-proton. Sa mise à niveau actuelle est conçue pour gérer un plus grand nombre de particules, telles que celles produites dans les collisions d'ions lourds. Cela offre une opportunité unique de réaliser une mesure précise du bruit de fond et d'étudier les dileptons avec une masse de 1 à 5 GeV/c² dans les collisions d'ions lourds. Sur la base de notre expérience et de notre leadership dans les mesures de muons et d'électrons au sein de deux collaborations du LHC, une équipe du groupe LQGP Saclay sous la direction de Michael Winn accédera expérimentalement au processus d'équilibration dans les collisions d'ions lourds avec des dileptons. Cette ANR est une première étape dans cette entreprise. Nous allons : Concevoir de nouveaux outils pour les mesures des leptons primaires aux collisionneurs. Caractériser le bruit de fond Drell-Yan dans les collisions proton-proton. Étudier la faisabilité des mesures de dileptons sensibles à l'équilibration dans les collisions d'ions lourds aux collisionneurs et établir cet aspect physique pour la future mise à niveau de LHCb. Contact : Michael Winn Projet DoTPiX "Development of a Technology needed for the PIXel particle detectors" Les interactions entre les particules élémentaires constituent le point de départ de la physique fondamentale. Cela est essentiel pour la compréhension humaine de la nature et de l'univers, conférant ainsi une importance majeure à ce domaine. La majeure partie de ces connaissances provient d'expériences réalisées sur des accélérateurs de particules à haute énergie. De nos jours, les expériences de physique des particules nécessitent des détecteurs améliorés pour une reconstruction précise des trajectoires et des points de collision des particules. L'augmentation de la luminosité du collisionneur (cm-2 s-1) dans les expériences futures entraîne des niveaux élevés de radiation, nécessitant par conséquent une grande résistance à la radiation. Pour la première fois, nous proposons ici d'utiliser une boîte quantique de Ge dans un pixel 1T induisant un effet de mémoire favorable qui n'est pas apporté par d'autres conceptions de pixels. Le dispositif présenté ici est nouveau dans son concept et son fonctionnement. Il utilise les propriétés d'une boîte quantique de Ge qui localise sélectivement les trous sans effet sur les électrons, constituant la première avancée apportée par cette conception. La seconde est une réduction de la taille rendue possible par le fonctionnement à un seul transistor avec une boîte quantique qui pourrait être réduite à un point si nécessaire. Ce pixel très compact peut être réduit dans toutes les directions. Cette approche soulève toujours des défis en matière de science des matériaux. De plus, en mode opérationnel de détection, aucune puissance n'est dissipée, réduisant ainsi le besoin de systèmes de refroidissement tels que ceux utilisés dans les détecteurs de pixels hybrides et autres MAPS. Dans le contexte des expériences de physique des particules, le débit de données à partir d'une matrice de pixels dépend principalement du taux d'événements. Une lecture sélective (en bas de la matrice) peut le réduire. La conception proposée combinera une résolution spatiale point à point (inférieure à 0,5 µm) avec une résistance intrinsèque à la radiation due à sa petite taille, le budget matériel pouvant être réduit (10 µm) par rapport à celui des pixels hybrides. La fabrication de pixels élémentaires est basée sur une méthode expérimentale et de simulation. Les couches nécessaires pour les pixels Si/Ge/Si sont cultivées dans des réacteurs CVD-UHV et caractérisées in situ et ex situ. TCAD (dispositif et processus) et d'autres simulations de matériaux sont utilisés pour l'évaluation du dispositif, des couches de matériaux et du processus MOS suivant. Les résultats préliminaires nous amènent à nous concentrer sur la technologie de la couche de Ge enfouie. Nous avons l'intention d'obtenir à la fin du projet un prototype de matrice de pixels avec ce processus et nous étudierons toutes les étapes technologiques nécessaires pour produire la matrice de pixels DotPIX en tant que prototype pouvant être testé soit avec des rayons X, soit avec un faisceau de particules chargées. Contact : Nicolas Fourches Projet BASKET_P2 "A backward scattering experiment for P2 at MESA" Ce projet ambitionne des mesures précises de l'angle de mélange électrofaible, avec l'expérience P2 auprès de l'accélérateur MESA. En connection avec les mesures du LEP et du LHC, une interprétation détaillée de l’évolution de ce couplage en fonction de l'énergie sera présentée pour la première fois. L'utilisation de toutes les données disponibles au LHC et l'exploitation des "upgrades" du détecteur ATLAS permettront une mesure très précise de l'angle de mélange au pic du Z, et pour la première fois une mesure de l’évolution de ce couplage a haute masse. L’expérience P2 prévoit une mesure compétitive à très bas transfert d'impulsion, par la mesure de l’asymétrie de polarisation en diffusion clastique électronproton. Les mesures à P2 permettront également d'améliorer profondément notre compréhension de la structure du proton, avec des implications en astrophysique et en physique des neutrinos. Le principal objectif de ce projet est la construction d'un détecteur de traces pour la mesure de la diffusion des électrons vers l'arrière. Cette mesure est cruciale pour le succès de l'expérience P2 dans son ensemble. Le détecteur proposé est capable de mesurer l'angle de diffusion avec une précision d'un degré, l'impulsion avec une précision de 2%, et surtout d'assurer une fréquence de lecture et d'enregistrement de 100 MHz, ce qui en fait un des trajectographes les plus rapides conçus jusqu'`a présent. L'échantillon final doit être collecté en environ 1000 heures, et représenter de l'ordre de 10^14 événements. La mesure précise de l’évolution de l'angle de mélange électrofaible constitue un test fondamental du Modèle Standard, et une sonde de nouvelle physique a haute et basse masses. Une analyse globale des résultats est proposée. Contact : Maarten Boonekamp Projet PEGaSUS "Probing and Exploring high-redshift Galaxies Spectroscopically Using Svom gamma-ray bursts" La formation et l’évolution des galaxies est l’un des principaux sujets actuels de l’astrophysique extragalactique. De grandes avancées ont été réalisées dans l’étude observationnelle des propriétés des galaxies jusqu’au plus haut décalage spectral vers le rouge (redshift) et JWST est en train d'apporter un progrès énorme dans l’étude du gaz chaud des galaxies à grand redshift. Néanmoins les composantes du gaz neutre demeurent difficiles à explorer. Ce gaz est une composante principale de ces galaxies et il peut être détecté par son absorption de la lumière d'une source brillante d'arrière-plan. Les sursauts gamma longs (LGRBs) sont un outil tès efficace pour le dévoiler grâce à la détection de raies d’absorption du gaz de leurs galaxies hôtes dans les spectres de leurs rémanences, indépendamment de la luminosité des galaxies hôtes elles-mêmes. A l'ère du JWST, les LGRBs restent des outils uniques permettant de sonder en détail les propriétés du gaz neutre et de la poussière des galaxies faibles, qui dominent en nombre la population des galaxies à grand redshift. De plus, les LGRBs étant des phénomènes transients, une fois l'émission rémanente disparue, il est possible de détecter aussi l'émission du gaz ionisé de leur galaxies hôtes. Jusqu'à maintenant la limite de l'utilisation de LGRB pour ce type d'étude est le nombre limité d'observations spectroscopiques des rémanences de LGRB a z>2-3 et de leurs galaxies hôtes. Dans ce projet, nous comptons augmenter significativement cette statistique grâce à la mission spatiale sino-franc?ais SVOM, de?diée à la détection des GRBs, et à son suivi-sol. Nous effectuerons et utiliserons des observations spectroscopiques de rémanences de LGRBs détectés par SVOM pour explorer les propriétés des galaxies de faible masse à  grand redshift, afin de re?pondre aux questions suivantes : Quelles sont les propriétés du gaz neutre du milieu interstellaire (ISM)? Comment évoluent-elles ? Quelles sont les propriétés de la poussière ? Comment évoluent-elles ? Comment la formation d’étoiles est-elle liée a? ces propriétés ? Comment ces galaxies impactent-elles la réionisation ? Le projet est axé sur trois blocs de travail : A) les abondances, la métallicité et la cinématique du gaz neutre de l'ISM; B) la poussière dans les galaxies à grand redshift ; C) la combinaison des propriétés du gaz absorbant neutre avec celles du gaz ionisé. Nous exploiterons les résultats observationnels aussi dans le contexte des simulations cosmologiques de galaxies. Ce projet permettra aussi de déterminer le redshift des GRB détectés par SVOM, information essentielle pour les études concernant la physique des GRBs. Nos résultats sont essentiels pour le retour scientifique et l'impact de la mission SVOM, qui représente un effort important de la communauté astrophysique française. Contact : Emeric Le Floc'h Projet ProGraceRay "PRObing GRAvity at Cosmological scalEs with relativistic RAY-tracing" La nature de l’énergie noire est une question centrale de la cosmologie moderne : est-ce une constante cosmologique, une nouvelle composante fondamentale aux propriétés exotiques, ou la conséquence d’une modification de la gravité ? Le but du projet ProGraceRay est de construire des tests robustes de la gravité aux échelles cosmologiques tenant compte de l’impact de la physique relativiste de la lumière sur la distribution apparente de la matière. En effet, les photons ne se propagent pas en ligne droite et leur énergie n’est pas uniquement gouvernée par l’expansion de l’Univers homogène. Ainsi, les positions angulaires, formes, tailles et luminosités des sources sont changées par les effets de lentilles gravitationnelles faibles (WL). De même, la position radiale des galaxies déduite de leur redshift est perturbée ce qui modifie la distribution apparente des galaxies (distorsions de l’espace des redshifts ou RSD). Ce qui peut être vu comme du bruit s’avère en réalité du signal car ces effets sont porteurs d’informations cosmologiques : métrique le long de la ligne de visée (WL) et vitesses/potentiels des sources (RSD). Les études actuelles reposent sur de nombreuses approximations, pourtant les effets relativistes non-triviaux (habituellement négligés) peuvent contribuer à hauteur de 1 à 10% pour les analyses standards de WL et RSD, de 1 à 50% sur les corrélations entre densité et cisaillement et même à hauteur de 100% sur le dipôle de la fonction de corrélation-croisée des galaxies. Par ailleurs WL et RSD sont habituellement étudiés séparément dans deux communautés différentes. Cependant, dans le cadre des théories de gravité modifiée (MG) combiner WL et RSD est une nécessité afin d’extraire les deux potentiels de la métrique. Contact : Sandrine Pires Projet Widening "A Window on Interstellar Dust Evolution: the NIKA2 Images of Nearby Galaxies" Le milieu interstellaire est l'espace remplissant le volume des  galaxies entre les étoiles. Ce milieu est principalement composé de gaz et de grains de poussière. La composante poussiéreuse du milieu interstellaire a un rôle crucial dans plusieurs processus physiques : extinction du rayonnement stellaire, chauffage et refroidissement du gaz, et croissance de la complexité chimique. Une bonne compréhension de la physique des grains est donc essentielle si l'on veut comprendre l'évolution des galaxies et le mécanisme de formation d'étoiles. Or, les propriétés de la poussière (composition, distribution de taille, abondance, etc.) sont encore très mal connues. La complexité du problème requiert un grand nombre d'observations pour lever les nombreuses dégénérescences des modèles. En particulier, les propriétés optiques des grains, dans le domaine spectral millimétrique, sont très  mal connues et sont pourtant déterminantes pour précisément estimer les masses. Les données qui sont en train d'être acquises par le nouvel instrument NIKA2, à 1.2 et 2 mm de longueurs d'onde, au radiotélescope de 30 mètres de l'Institut de Radio-Astronomie Millimétrique (IRAM), fournissent une perspective sans équivalent sur ce problème. Notre collaboration IMEGIN (Interpreting the Millimeter Emission of Galaxies with IRAM/NIKA2 ; responsable S. Madden) a obtenu 200 heures de temps garanti pour cartographier une vingtaine de galaxies proches avec  NIKA2. Nous avons également obtenu 40 heures de temps ouvert, pour observer des galaxies de faible métallicité, importantes pour comprendre l'évolution chimique, dans le cadre du projet SEINFELD (Submillimeter Excess In Nearby Fairly-Extended Low-metallicity Dwarfs ; responsable F. Galliano). Ces données, combinées avec des observations d'archives à d'autres longueurs d'onde, vont donc nous permettre, pour la première fois, d'étudier la manière dont varient les propriétés optiques millimétriques des grains avec les conditions physiques. Cette compréhension nous permettra de mieux contraindre la composition chimique des gros grains et d'affiner les diagnostics physiques basés sur la poussière. Le projet d'ANR WIDENING va nous permettre d'embaucher deux postdoctorants, pendant trois ans, pour s'attaquer à ce problème. Cette ANR, dirigée par le DAp, est un partenariat avec l'IRAM de Grenoble et l'Institut d'Astrophysique de Paris. Contact : Frédéric Galliano Projet Windtrust "Améliorer la fiabilité des prévisions du vent solaire pour la Terre" La météorologie de l'espace est une science applicative en pleine émergence dans le monde entier, prioritaire pour de nombreux acteurs. Les conséquences sont importantes aussi bien pour la société civile que pour l'armée. La surveillance du Soleil n’est pas suffisante, surtout en période d’activité maximale comme maintenant, et requiert l’usage de simulations numériques pour des prévisions suffisamment en avance. Cependant, il est difficile d’estimer la fiabilité d’une prévision, en particulier quand celle-ci repose sur le couplage entre plusieurs modèles numériques qui peuvent chacun ajouter des erreurs. L’objectif de ce projet est donc d’améliorer la fiabilité des prévisions de météorologie de l’espace. Pour cela, on se concentre sur l’élément incontournable : le vent solaire, un éjecta continu de particules qui vient influencer l’environnement terrestre et transporter les événements extrêmes. En se basant sur le modèle français Wind Predict (Réville+2015, 2020), il s’agit d’améliorer les capacités de prévision française en utilisant de l’assimilation de données. Ceci permettra alors de mieux prédire les événements les plus extrêmes lors des phases d’activité les plus intenses. Il s’agira ensuite de développer un outil de validation de ces prévisions de vent. En se basant sur les travaux de Perri+2023 et son implication dans l’ISWAT, nous allons généraliser et automatiser les diagnostics de validation, afin de fournir un score de fiabilité. Ce score permettra alors de décider si la simulation peut être utilisée ou non pour des prévisions à la Terre. Ce projet permettra ainsi à la France de maintenir son indépendance internationale quant aux prévisions les plus réalistes. Cela permettra également de disposer d’un système de validation unique et compréhensible par tous les acteurs touchés par la météo de l’espace (aviation, communications, etc.). Contact : Barbara Perri