Astroparticules et Cosmologie
Notre compréhension actuelle de l’Univers est limitée par un nombre important d’énigmes. Le problème de la matière noire : les observations astronomiques et cosmologiques montrent qu’environ 80% du contenu en matière de l’Univers est constitué d’une substance invisible et dont la nature est inconnue (c’est-à-dire nécessairement différente des particules fondamentales qui composent toute la matière connue de l’Univers). Les rayons cosmiques : cette radiation hautement énergétique provenant de l’espace a été découverte il y a plus de cent ans. Cependant, son origine n’est pas encore clairement établie et les mécanismes de leur propagation sont encore mal compris. L’accélération de l’expansion de l’Univers : récemment découverte, cette propriété est attribuée à une substance mystérieuse appelée énergie noire et dont la nature est encore plus élusive que celle de la matière noire. Les propriétés des neutrinos : ces particules encore mal connues constituent des messagers des phénomènes astrophysiques de hautes énergies comme les explosions de supernovae ou les noyaux actif de galaxies (AGN). Le déséquilibre matière-antimatière : la matière constitue principalement tout ce que nous connaissons dans l’Univers alors que l’antimatière est extrêmement rare et diffuse. Or, les théories prédisent un parfait équilibre initial entre ces deux constituants.
Par leur nature propre, ces questions se situent à l’interface entre la physique des particules, l’astrophysique et la cosmologie, un domaine de recherche couramment défini par « physique des astroparticules ».
L’activité de recherche du LPTHE se concentre particulièrement sur le problème de la matière noire en suivant ces axes canoniques
- Phénoménologie de la détection indirecte : l’étude des signaux possibles d’annihilation ou de désintégration des particules de matière noire dans l’Univers à travers les rayons cosmiques (électrons, positrons, antiprotons, rayons gamma, rayons X, neutrinos…)
- Phénoménologie de la détection directe : l’étude de la manifestation possible de la diffusion des particules de matière noire sur un atome ordinaire au sein d’expériences ultra-propres et ultra-protégées.
- Phénoménologie des collisionneurs : la recherche des particules de matière noire pouvant être créées lors des collisions de particules ordinaires dans les accélérateurs comme au Large Hadron Collider (LHC) du CERN, ainsi que les prospectives de découvertes dans les futurs collisionneurs.
- La construction de modèle théoriques : l’élaboration de théories pouvant expliquer la nature de la matière noire tout en analysant leurs conséquences astrophysiques et cosmologiques.