Un acteur majeur dans la recherche des deux infinis

L’IN2P3 mène ses expérimentations dans trois grands domaines scientifiques :

• la physique des particules, qui s’intéresse aux composants les plus élémentaires de la matière (les quarks, les leptons et les bosons) et à leurs interactions ;

• la physique nucléaire, qui étudie la structure et la dynamique des noyaux atomiques et apporte ainsi des éléments essentiels au modèle astrophysique de formation des étoiles ainsi qu’à un grand éventail d’applications ;

• la physique des astroparticules, qui observe l’Univers à partir des différents messagers cosmiques (photons, rayons cosmiques, neutrinos, ondes gravitationnelles) et qui établit un modèle de l’évolution de l’Univers capable de prédire des composantes encore inconnues aujourd’hui (matière et énergie noire).

Pour cela, l’institut s’appuie sur des développements dans les domaines technologiques :

• des accélérateurs et détecteurs, instruments qui génèrent et accélèrent des faisceaux de particules ou permettent de détecter des particules de matière. Ces appareils font l’objet d’une intense recherche technologique afin d’en améliorer constamment les performances.

• du calcul et des données, qui permettent de répondre aux besoins informatiques pour l’analyse des très grands flux de données que produisent les expériences présentes et futures, en s’adaptant à la progression ultra-rapide des performances des réseaux informatiques.

À la croisée de l’ensemble de ces disciplines scientifiques et techniques, l’institut mène des projets de recherche interdisciplinaires dans les domaines de l’énergie, de l’environnement et de la santé.

L’IN2P3 a participé à de grandes découvertes qui ont permis de mieux comprendre la physique des deux infinis. Parmi les plus récentes, on peut citer celle du boson de Higgs en juillet 2012, ou encore la première détection directe des ondes gravitationnelles en février 2016. Ses chercheurs ont également contribué à la découverte de l’accélération de l’expansion de l’Univers, qui peut être due à une nouvelle forme d’énergie, « l’énergie noire ». Parties prenantes de la mission spatiale Planck, ils ont aussi observé avec une précision jamais atteinte le fond diffus cosmologique. L’institut joue également un rôle important dans le développement de la recherche de matière noire grâce, en particulier, à ses installations dans le Laboratoire souterrain de Modane (Savoie). En physique des neutrinos, l’IN2P3 s’est illustré en particulier avec des expériences près de réacteurs nucléaires, dont la dernière, l’expérience Double Chooz, a contribué à la mesure du dernier paramètre des oscillations des neutrinos. Grâce à l’accélérateur Ganil (Caen), des chercheurs français ont également pu observer des indications de la production de nouveaux éléments super-lourds.

Plusieurs grandes infrastructures sont actuellement en construction :

Large Hadron Collider (LHC)

Le Large Hadron Collider (LHC) prévoit une augmentation significative du taux de collisions produites, ce qui nécessite un important programme d’amélioration des détecteurs qui sera mis en place d’ici à 2025. Ces modifications permettront en particulier une étude beaucoup plus fine des caractéristiques du boson de Higgs.

Cherenkov Telescope Array (CTA)

Le Cherenkov Telescope Array (CTA) est un réseau de télescopes qui observent le ciel dans le domaine des rayons gamma, comme actuellement l’observatoire H.E.S.S., en Namibie. CTA prévoit une centaine de télescopes partagés entre un site nord sur les Canaries et un site sud au Chili. Les observations débuteront dès 2021.

Large Synoptic Survey Telescope (LSST)

À partir de 2022, le Large Synoptic Survey Telescope (LSST), un télescope de nouvelle génération, va entamer un relevé du ciel, le plus rapide, le plus profond et le plus vaste jamais entrepris. Ses caractéristiques techniques vont lui permettre de balayer le ciel en continu, zone après zone près de 800 fois en dix ans et ainsi caractériser les composantes sombres de l'Univers.

Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3Net)

Le Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3Net) est un projet de télescope sous-marin de neutrinos, avec un réseau de détecteurs prévu en Italie (ARCA) et un autre en France (ORCA). Le déploiement des premières lignes françaises ayant commencé en 2017, KM3NeT-ORCA devrait permettre de tirer des conclusions sur la hiérarchie en masse des trois familles de neutrinos dès 2023.

Expérience Xenon

L’institut participe à l’expérience Xenon, dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie, qui vise à découvrir des particules liées aux phénomènes de la matière noire. Le nouveau détecteur Xenon1T a déjà atteint la meilleure sensibilité de toutes les expériences dans ce domaine avec ses premières données récoltées en 2017.

Expérience Tokai to Kamioka (T2K)

En physique des neutrinos, l’expérience Tokai to Kamioka (T2K) au Japon a présenté en 2017 les premiers signes d’une asymétrie entre les neutrinos et les antineutrinos. Elle va poursuivre ses recherches avec un ambitieux programme d’améliorations. Au-delà, les trois plus importantes infrastructures à venir sont les projets Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE Fermilab, États-Unis), Hyper-Kamiokande (Japon) et Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO, Chine).

Grand accélérateur national d’ions lourds (Ganil)

Au Grand accélérateur national d’ions lourds (Ganil) à Caen), la phase 2 du projet Spiral permettra des études originales sur les états exotiques de la matière pendant la prochaine décennie.