Une recherche structurée autour de grands instruments scientifiques

Les recherches conduites par l’IN2P3 nécessitent la mise en œuvre d’instruments colossaux et extrêmement sophistiqués sur des temps très longs, nécessitant parfois plusieurs dizaines d’années de préparation avant le début des mesures. Les expériences durent ensuite des années, ce qui constitue une caractéristique forte de nos disciplines. Ces projets sont le plus souvent à dimension européenne ou internationale.

Les principaux instruments utilisés par les scientifiques de l’IN2P3 sont :

  • Le LHC au CERN à Genève : cet accélérateur et collisionneur de hadrons de 27 km de diamètre et équipé de 4 détecteurs géants ALICE, ATLAS, CMS et LHCb, a permis la découverte du boson de Higgs.

  • GANIL à Caen : un accélérateur dédié à l’étude des noyaux atomiques entré en service en 1983, et modernisé depuis 2019 avec un accélérateur supraconducteur haute énergie, SPIRAL2 en cours de mise en service. 

  • EGO-VIRGO, à Pise en Italie : un détecteur d’ondes gravitationnelles muni de deux bras longs de 3km pour percevoir les infimes déformations de l’espace temps générées par des fusions de trous noirs ou d’étoiles à neutrons.

  • Le détecteur BELLE-2 auprès de l’accélérateur KEK au japon, un ensemble accélérateur/détecteur de particules dédié à l’étude des mésons B, des duos quark/antiquark potentiellement révélateurs de nouvelle physique.

  • L’expérience T2K au Japon : une expérience consacrée aux neutrinos qui met en œuvre un accélérateur de particules pour générer les neutrinos et deux détecteurs, l’un proche et un second, Super Kamiokande, à 300 km de distance.

  • Les détecteurs AEGIS et GBAR au CERN : des expériences sur l’influence de la gravité sur les antiparticules.

  • Les détecteurs XENON et EDELWEISS : des expériences de détection de la matière noire sous sa forme de WIMP, dans les laboratoires souterrains de Modane (EDELWEISS) et Gran Sasso (XENON) en Italie.

  • Le détecteur SuperNEMO : une expérience pour tenter d’observer une double désintégration béta sans émission de neutrinos qui serait synonyme de nouvelle physique, dans le Laboratoire souterrain de Modane.

  • Le détecteur AUGER en Argentine : un observatoire de 300 km2 dédié à l’observation des rayons cosmiques d’ultra haute énergie.

  • Le télescope HESS en Namibie : un réseau d’antennes dédiées à l’observation des rayons gamma de haute énergie.

Plusieurs grands instruments sont par ailleurs en construction ou subissent une jouvence d’envergure :

  • Le Grand collisionneur de hadron haute luminosité (HL-LHC) et ses détecteurs
     Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) prévoit une augmentation significative du taux de collisions produites, ce qui nécessite un important programme d’amélioration des détecteurs d’ici fin 2027. Cette transformation sera l’occasion d’étudier très finement les caractéristiques du boson de Higgs.  

  • Cherenkov Telescope Array (CTA)
    Ce réseau de télescopes observera le ciel dans le domaine des rayons gamma, comme actuellement l’observatoire HESS, 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, LSST entamera un relevé complet et périodique du ciel austral, à raison d’une image complète tous les 3 jours. Il balayera ainsi le ciel quelques 800 fois en dix ans, réalisant le premier film de la dynamique à grande échelle de l’univers. Ses domaines d’étude seront principalement la matière et l’énergie noires.

  • Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3Net) 
    Ce projet de télescope à neutrinos sous-marin, sera à terme déployé sur deux sites méditerranéens par plus de 2000m de fond, l’un proche de la Sicile (ARCA) et l’autre de Toulon (ORCA). Le déploiement des premières lignes françaises d’ORCA a démarré en 2017. Le télescope étudiera notamment la hiérarchie en masse des trois familles de neutrinos. 

  • Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)
    Le projet américain DUNE utilisera une source de neutrinos et deux détecteurs, l’un proche et l‘autre distant de 1300 km pour étudier finement les neutrinos. Une meilleure connaissance de ces particules pourrait apporter des éléments clés sur l’asymétrie matière/antimatière constatée dans l’univers. Son démarrage est prévu vers 2026.

  • Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)
    En construction à Jiangmen (dans le Sud de la Chine), JUNO est une expérience polyvalente dédiée à la détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos et à la mesure précise des paramètres d'oscillation des neutrinos. Démarrage programmé en 2021.

  • Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)
    En construction au Centre de recherche sur les ions lourds (GSI) à Darmstadt en Allemagne, FAIR est un projet d’accélérateur d’ions et d’antiprotons à haute énergie pour étudier la matière. Son démarrage est attendu en 2025.

  • Télescope spatial EUCLID
    Euclid est un télescope spatial de l'Agence spatiale européenne (ESA), dont le lancement est planifié pour 2022. Son objectif principal l'étude de l'énergie noire, en utilisant deux techniques complémentaires: les effets de lentilles gravitationnelles et l'étude de la distribution des galaxies dans l'Univers.

  • LISA (Laser Interferometer Space Antenna)
    Un satellite de l’Agence spatiale européenne (ESA) dont le lancement est programmé pour 2032. Il sera le premier observatoire spatial d’ondes gravitationnelles.