Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Une équipe du département de physique des particules (DPhP) de l'Irfu, vient de mener l’étude la plus précise à ce jour portant sur la masse de neutrinos cosmiques, comprenant à la fois des neutrinos du modèle standard et des neutrinos stériles contribuant à la matière noire.  

Les chercheurs ont exploité les spectres de près de 200 000 quasars lointains mesurés par le projet eBOSS du Sloan Digital Sky Survey (SDSS), qui leur ont permis de cartographier la répartition de l’hydrogène à des époques très reculées de l’histoire de notre univers, il y a dix à douze milliards d’années de cela.

Les neutrinos, se propageant à des vitesses relativistes durant des milliards d’années, empêchent la gravité d'agir à petites échelles et lissent les structures (amas de galaxies, filaments,…) révélées par les spectres des quasars.  Grâce à la précision des mesures, les chercheurs ont pu resserrer le domaine possible pour la masse des neutrinos cosmiques, au point d’avoir leur mot à dire sur la façon dont sont ordonnées les différentes masses des trois neutrinos du modèle standard.

Claudia Nones, physicienne des particules à l’Irfu, vient de recevoir une bourse ERC « Consolidator » pour ses recherches sur les neutrinos. Le projet BINGO vise à aller encore plus loin dans les performances des bolomètres scintillants, technique de détection d'une désintégration rare appelée double beta sans emission de neutrinos, signature de la nouvelle physique au delà du modèle standard de la physique des particules. 

La masse manquante de l’univers ou matière noire non-baryonique est probablement constituée de particules qui restent à découvrir. Massives et neutres, aux interactions très faibles, elles échappent toujours à une détection qui permettrait de les identifier. Alors que les photons conventionnels sont sans masse, la matière noire pourrait être faite de particules d’un type nouveau, semblables à des photons massifs. De nouveaux résultats expérimentaux sur la recherche de matière non-baryonique sous cette forme, obtenus par une équipe de trois membres de l’Irfu viennent d’être publiés dans Physical Review Letters [1]. 

Le code FIFRELIN simule la fission nucléaire et la désexcitation des noyaux alors produits. STEREO est un détecteur compact de neutrinos qui cherche un hypothétique neutrino stérile. Deux thématiques a priori disjointes développées au CEA, la première à la DEN, la seconde à la DRF/Irfu, qui se sont pourtant récemment rencontrées pour atteindre une précision inédite sur un ingrédient crucial de la détection des neutrinos : la désexcitation d’un noyau de Gadolinium après la capture d’un neutron. Les résultats de cette rencontre viennent d’être publiés dans la revue The European Physical Journal A [1].

Les scientifiques de la collaboration ProtoDUNE au CERN ont commencé à tester un tout nouveau prototype de détecteur de neutrinos, en utilisant une technologie très prometteuse, appelée "double phase". Si les premiers résultats obtenus se confirment, cette nouvelle technologie sera utilisée à une plus grande échelle pour l’expérience internationale DUNE aux États-Unis. Les scientifiques français du CNRS et du CEA jouent un rôle de premier plan dans le développement et la mise en route de ce détecteur innovant.

Dotés d’une très faible masse les neutrinos jouent un rôle clé en en physique des particules et en cosmologie. La contrainte sur leur masse vient tout juste d’être améliorée par l'expérience KATRIN. La première campagne scientifique de 4 semaines de prise de données, au printemps 2019, contraint désormais la masse des neutrinos à moins de 1.1 électron-volt. Il s’agit de la meilleure mesure indépendante de tous modèles, apportant une amélioration d'un facteur 2 par rapport aux résultats expérimentaux antérieurs. La contrainte est encore inférieure à celle venant des mesures cosmologiques sur la masse totale de 3 saveurs de neutrinos, qui flirte avec la centaine de milli eV (meV).   Mais KATRIN va continuer à prendre plus de données durant les 5 prochaines années et devrait atteindre une sensibilité sur la masse du neutrino électronique voisine de 200 meV. Le haut potentiel de cette expérience réside dans sa précision et dans le fait que cette mesure est, elle, indépendante de tout modèle théorique contrairement aux mesures issues des observations cosmologiques. En effet elle repose sur la conservation de l’énergie et la mesure d’une expérience bien connue, la désintégration beta.

Les collaborations CDF et D0 du Tevatron viennent de recevoir le prix 2019 de la physique des particules et des hautes énergies attribué par la société européenne de physique pour la découverte du quark top en 1995 et les mesures détaillées de ses propriétés de 1995 à nos jours. Ce prix récompense ainsi les physiciens et ingénieurs de l'Irfu qui ont contribué à la construction du détecteur D0, à la découverte du quark top, et ont mené de nombreuses études sur la physique du quark top.

Dans sa version la plus courante, l’imagerie muonique est une technique intrinsèquement 2D : en effet les densités mesurées sont intégrées le long de la direction d’observation de l’instrument. En principe, une cartographie 3D peut tout de même être obtenue en combinant plusieurs projections, comme en imagerie médicale. Mais dans le cas de la muographie, le nombre de projections disponibles est généralement très réduit, à cause du temps d’acquisition nécessaire à chaque image. Un algorithme d’imagerie 3D vient d’être utilisé avec succès sur le télescope à muons TomoMu, dans le cadre d’une collaboration entre l’Université de Florence et l’Irfu. La structure 3D d’un objet test a été reconstruite avec seulement 3 prises de vue, grâce notamment à l’excellente résolution de l’instrument. Cette avancée très importante permet maintenant d’envisager l’étude de structures plus complexes, avec des applications variées depuis l’étude de réacteurs nucléaires en phase de démantèlement jusqu’à l’exploration des sols.

Comme chaque année, les conférences de Moriond ont rassemblé les physiciens de physique fondamentale pour partager au bord des pistes les dernières découvertes et mesures en matière d’interactions faibles et théories unifiées (Moriond EW), interaction forte et interactions à haute énergie (Moriond QCD) , et gravitation (Moriond gravitation). De très jolis résultats ont été présentés, dont certains portés par les équipes de l’Irfu.

L’expérience STEREO publie de nouveaux résultats basés sur la détection d’environ 65 000 neutrinos à courte distance du réacteur de recherche de l’ILL-Grenoble. Leur précision améliorée permet de rejeter l'hypothèse d'un 4^ème neutrino dans une grande partie du domaine prédit par « l'anomalie neutrino des réacteurs ». Bénéficiant d’un bon contrôle de la réponse du détecteur, STEREO publie également ses premières mesures absolues du taux de neutrinos et de la forme du spectre.

Les neutrinos issus du Big Bang parcourent l’Univers depuis plus de 13 milliards d'années. Ils sont quasi indétectables mais leur empreinte sur la formation des grandes structures de l'Univers comme les galaxies, peut être détectée. Pour la première fois, cette trace du « fond diffus de neutrinos » issus du Big Bang sur les « oscillations acoustiques baryoniques » (BAO) a été déduite du relevé de 1,2 million de galaxies du "Sloan Digital Sky Survey" (SDSS). Ces données correspondent à 5 années d’observations de l’expérience BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), télescope au sol installé au Nouveau Mexique. Le résultat, publié dans la revue Nature Physics, montre comment la phase des BAO permet de contraindre le nombre d'espèces des neutrinos du modèle standard de la physique des particules.

Le groupe du DPhP participe à ce projet depuis plus de 10 ans et actuellement à son extension, le projet eBOSS. Dans un futur très proche, le projet DESI pourra étudier encore plus précisément ce fond de neutrinos cosmiques produit par le Big Bang.

Pour la première fois, une équipe de chercheurs a pu mesurer et identifier précisément les noyaux « fils » produits lors de la fission de l’Uranium-239. Cette première a été rendue possible par la combinaison unique des équipements et des faisceaux du GANIL. Elle fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letter*.

Le code FIFRELIN simule la fission nucléaire et la désexcitation des noyaux alors produits. STEREO est un détecteur compact de neutrinos qui cherche un hypothétique neutrino stérile. Deux thématiques a priori disjointes développées au CEA, la première à la DEN, la seconde à la DRF/Irfu, qui se sont pourtant récemment rencontrées pour atteindre une précision inédite sur un ingrédient crucial de la détection des neutrinos : la désexcitation d’un noyau de Gadolinium après la capture d’un neutron. Les résultats de cette rencontre viennent d’être publiés dans la revue The European Physical Journal A [1].

Il est possible de remonter à la forme d’un tambour à partir de ses modes de vibrations. De manière similaire, il est possible de mesurer la structure 3D du proton en ses composants élémentaires, quarks et gluons, à partir de certaines observables accessibles lors d’expériences de diffusion Compton profondément virtuelle sur le proton.  En étudiant ce processus de diffusion, on peut accéder à cette information géométrique. Ce sujet de recherche est très actif et mobilise une importante communauté internationale théorique et expérimentale. Dans le cadre du projet PARTONS (PARtonic Tomography Of Nucleon Software) , des physiciens de l’Irfu et du NCBJ à Varsovie ont successivement accompli deux analyses détaillées en utilisant toutes les mesures associées à ce processus publiées depuis le début des années 2000. Cela représente près de 2600 points de mesure et 30 observables provenant de 6 expériences différentes. Ces travaux, parus dans la revue European Physical Journal C [1, 2], constituent aujourd’hui l’analyse la plus poussée de ces données expérimentales. De nouvelles données, associées à de nouvelles méthodes d’analyse, enrichiront dans le futur la bibliothèque PARTONS ; ces observables (facteurs de forme Compton) permettront de franchir un cap dans la reconstruction de la structure du proton en 3D.

Suite à une série d’expériences réalisées à Jefferson Laboratory (USA) visant à étudier la diffusion élastique électron-proton, il est apparu que les informations sur la structure du proton n’étaient pas cohérentes selon le type d’expérience effectuée. Pour réconcilier ces différents résultats, il a été suggéré qu’un deuxième photon serait échangé pendant l’interaction, au-delà de l’échange d’un photon qui est le mécanisme dominant. L’existence de ce phénomène serait lourde de conséquences, invalidant de nombreuses expériences. La quête d’une preuve expérimentale de l’existence de ce mécanisme a motivé la réalisation de trois expériences, qui ont eu lieu récemment. Nous avons interprété l’ensemble des résultats obtenus et montrons que l’échange de deux photons n’est pas un mécanisme privilégié. D’autres explications, comme un calcul plus précis des corrections radiatives, apparaissent favorisées. Cette étude, menée par deux chercheurs de l’Irfu et de JINR Dubna (Russie), vient d’être publiée dans la revue Physical Review C [1].

Prédire, par exemple, les propriétés des molécules ou des noyaux atomiques à partir des principes de base nécessite de résoudre l'équation de Schrödinger avec une grande précision. Le coût de calcul pour trouver des solutions exactes de l'équation de Schrödinger augmente de manière exponentielle avec le nombre de particules constituant le système. Ainsi, pour des noyaux composés de dizaines ou de centaines de nucléons, il faut recourir à des méthodes approximatives précises dont le coût de calcul est moindre. Ces méthodes sont aujourd’hui appliquées à un nombre limité de systèmes : ceux qui sont faiblement corrélés. Par conséquent, il manque encore une méthode applicable de manière universelle. En utilisant un nouveau formalisme récemment développé à l’Irfu/DPhN [1], des solutions très précises de l'équation de Schrödinger - dans le cadre du modèle de Richardson qui peut être résolu exactement - ont été obtenues, indépendamment du caractère faiblement à fortement corrélé du système. Ce travail a été réalisé en collaboration avec des chimistes quantiques utilisant des méthodes ab initio de l'Université de Rice. Ce nouveau résultat passionnant, qui ouvre la voie à des calculs ab initio précis des propriétés moléculaires ou nucléaires d'un grand nombre de systèmes, a récemment été publié dans la revue Physical Review C [2] et mis en avant comme Editor’s suggestion.

L'appariement est omniprésent en physique. De la supraconductivité au modèle en couches quantique, le couplage de particules pour former des paires est l'un des moyens préférés par la nature pour réduire l'énergie d'un système. Des nouveaux résultats, obtenus au Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF, Japon) avec le dispositif expérimental MINOS, conçu et construit à l’Irfu, montrent pour la première fois que l’appariement joue également un rôle important dans les réactions d’arrachage d’un proton dans les noyaux riches en neutrons. Ces résultats montrent que les sections efficaces d’arrachage d’un proton peuvent être utilisées comme un outil d’étude des corrélations d'appariement dans les noyaux très riches en neutrons, alors que la spectroscopie de ces noyaux n’est pas accessible. En effet, ces derniers sont produits en trop faible quantité pour que la spectroscopie, par étude des gammas émis lors de la désexcitation par exemple, soit envisagée. Cette étude a récemment été publiée dans Physical Review Letters [1].

Prédire les propriétés nucléaires à partir d’une description réaliste de l'interaction forte est au cœur des méthodes dites ab initio utilisées en théorie nucléaire de basse énergie. Les calculs ab initio ont longtemps été limités aux noyaux légers ou aux noyaux avec des nombres spécifiques de protons et de neutrons. Les théoriciens de l'Irfu/DPhN ont développé de nouvelles méthodes ab initio qui ont conduit à une augmentation significative du nombre de noyaux prédits par ces approches. La plus récente, appelée théorie des perturbations pour le problème à N corps de Bogoliubov (BMBPT), offre une alternative capable de fournir des résultats de la même précision que les méthodes concurrentes, mais avec un coût de calcul réduit de deux ordres de grandeur. Cela a été rendu possible en autorisant les brisures spontanées des symétries de l’Hamiltonien nucléaire. Ce développement prometteur, ouvrant la voie à des calculs précis de noyaux plus lourds utilisant des ressources informatiques raisonnables, a récemment été publié dans Physics Letter B[1].

Une collaboration internationale conduite par le CEA-Irfu et l’Institut Riken (Japon) démontre, pour la première fois, la stabilité exceptionnelle du noyau de nickel 78 (très riche en neutrons) et son caractère doublement magique. L’expérience menée à Riken était uniquement possible en combinant le dispositif Minos développé au CEA-Irfu avec les faisceaux très exotiques produits par l’installation RIBF de l’accélérateur japonais. Ces résultats font l’objet d’un article dans Nature [Nat19].

La campagne d’expériences 2019 du GANIL démarrera le 1er avril prochain, pour une durée de quatre mois. Cette année, les faisceaux radioactifs retrouvent le chemin de la salle d’expériences G1, après 6 ans d’interruption dus aux améliorations apportées au système de production SPIRAL1.

La salle d’expériences G1 accueillera le multi détecteur MUGAST couplé aux spectromètres gamma AGATA et magnétique VAMOS++, pour une campagne de trois expériences. Elles utiliseront les faisceaux radioactifs ré-accélérés de l’installation SPIRAL1 du GANIL. Un retour aux fondamentaux pour la salle G1 et les chercheurs qui n’avaient plus utilisé de faisceaux d’ions radioactifs dans cette salle depuis 2013.  

Trois expériences sont prévues auprès du spectromètre LISE lors de la campagne 2019. Elles utiliseront toutes les trois l’ensemble de détection ACTAR TPC et bénéficieront de la récente mise en œuvre du projet LISE-QD6 visant à améliorer les performances du spectromètre.

Mise en service de « LISE-QD6 »

Les expériences programmées sur LISE seront précédées d’un test de mise en service d’un nouvel ensemble optique constitué de trois quadrupôles magnétiques. Placé à la fin du spectromètre, ce triplet de quadrupôles va permettre d’optimiser la sélection des faisceaux de noyaux exotiques produits en amont dans le spectromètre et d’améliorer leur focalisation au niveau de l’ensemble de détection placé en aval (ACTAR TPC pour la campagne d’expériences 2019).

Expériences avec ACTAR TPC

Trois expériences seront réalisées avec l’ensemble de détection ACTAR TPC. Deux d’entre elles sont dédiées à l’étude des modes collectifs d’excitation de noyaux de nickel stables (nickel-58) et riches en neutrons (nickel-68). Dans ces expériences, la collision des noyaux de nickel avec les noyaux d’hélium remplissant le volume du détecteur permettra à la fois de transférer de l’énergie à l’ensemble des nucléons des noyaux projectiles (mode « ACtive TARget) et de détecter les particules diffusées lors de ces réactions et d’aussi mesurer l’énergie transmise. Les deux expériences permettront de comparer la manière dont sont excités les isotopes de nickel comptant plus ou moins de neutrons (de 30 à 40 pour le nickel-58 et le nickel-68). Il sera alors possible de comprendre l’impact du nombre de neutrons sur la compressibilité du noyau atomique, un paramètre important de la matière nucléaire très riche en neutrons, telle qu’elle peut se présenter dans les étoiles à neutrons par exemple. Un mode particulier d’excitation des nucléons sera sondé dans lequel les protons et les neutrons oscillent collectivement en phase : l’expérience doit permettre grâce aux performances d’ACTAR de détecter les différences d’oscillations entre les isotopes de nickel comptant plus ou moins de neutrons.

Dans une troisième expérience, ACTAR TPC permettra d’observer la décroissance par émission de protons d’un état excité de durée de vie « longue » du nickel-54 (on parle « d’état isomérique »). Dans ce cas, un mélange d’argon et de méthane permettra de stopper les noyaux de nickel-54 dans le détecteur et d’observer l’énergie et la distribution angulaire des protons émis en utilisant le détecteur comme une chambre à projection temporelle (mode « TPC »). Une telle étude n’est possible qu’en utilisant un détecteur gazeux tel qu’ACTAR TPC, du fait de la faible énergie des protons que l’on cherche à observer.  Cette expérience vise à étudier l’influence de la charge électrique des protons sur les forces nucléaires et sur l’organisation des nucléons dans le noyau atomique. Cela peut être fait en comparant les caractéristiques de noyaux dits « miroirs » car comptant le même nombre de nucléons mais des nombres différents de protons et de neutrons. L’étude des différentes voies d’émission de protons de l’état isomérique du nickel-54 (28 protons et 26 neutrons) permettra d’en comparer les propriétés à celles d’un état analogue existant dans le noyau miroir stable de fer-54 (26 protons et 28 neutrons).

Contact: Myriam Grar

Dans le cadre des améliorations de l’expérience ALICE auprès de l’accélérateur LHC du CERN, un nouveau trajectographe, appelé Muon Forward Tracker (MFT), est en cours de fabrication. Ce détecteur, dont l’Irfu est l’un des contributeurs principaux, est constitué de capteurs pixélisés en silicium micro-connectés à des circuits imprimés flexibles qui sont eux-mêmes collés sur des disques concentriques. Le prototype d’un de ces disques a été testé pour la première fois sous faisceau au CERN pendant l’été 2018. Le MFT permettra de déterminer le point d’origine des muons détectés par ALICE, ouvrant ainsi le champ à un nouveau programme de physique concernant l’étude du plasma de quarks et de gluons (QGP).

Suite à une étroite collaboration entre deux laboratoires du plateau de Saclay, l’IRFU/DPhN et l’École Polytechnique/LLR, des résultats phénoménologiques importants ont été publiés dans une revue à fort impact [1] dans le but de mieux comprendre les effets de la matière nucléaire sur la production de différentes particules dans les collisions entre un hadron (un pion ou un proton) et un noyau. Cette étude s’inscrit dans un projet scientifique plus vaste d’étude des effets nucléaires dans les collisions en cibles fixes (faisceaux de quelques centaines de GeV) jusqu’aux collisions issues des collisionneurs à beaucoup plus haute énergie (faisceaux de plusieurs TeV).

Dans un article publié en février 2019 dans la revue Nature [1], la collaboration CLAS de Jefferson Lab (USA) rapporte la première mesure permettant de mettre en lumière le rôle central des paires corrélées de protons et de neutrons dans la modification de la structure en quarks et en gluons de ces derniers. Cette découverte pourrait avoir d’importantes conséquences depuis les futures expériences neutrinos à longue portée, jusqu’à la structure des étoiles à neutrons.

L’Agence spatiale européenne (ESA) s’est livrée cet automne à un exercice destiné à façonner son programme scientifique pour la période 2035-2050. Après le programme Horizon 2000 démarré en 1983, suivi de son extension Horizon 2000 Plus, l’agence est engagée jusqu’à 2035 dans le programme Cosmic Vision, programmation qui inclut notamment les lancements des missions Athena (2031) et LISA (2034). En vue de planification à long terme des priorités scientifiques au-delà de cette date, l’ESA a sollicité la communauté à travers un appel à idées/projets. Cette consultation a débouché sur la publication de près de cent projets (sous forme de livres blancs ou White Papers), couvrant des domaines aussi variés que la physique fondamentale, l’exploration du système solaire ou bien encore l’étude de l’univers lointain. Le processus d’évaluation aboutira courant 2020 avec une série de recommandations à destination de la direction scientifique de l’ESA. Les scientifiques du Département d’Astrophysique/UMR AIM et collaborateurs ont répondu positivement à cet exercice en proposant plusieurs projets, dont certains sont décrits ci-après.
Le programme complet de l’atelier de Madrid, les diverses présentations ainsi que l’accès à l’ensemble des Livres blancs soumis par la communauté scientifique sont accessibles à partir du site de l’ESA Voyage 2050.
Notons également qu’à l’occasion de cette prospective, l’ESA a invité le grand public à participer à une consultation sur les grandes questions scientifiques prioritaires du prochain programme spatial de l’ESA.

SNOGLOBE, le nouveau détecteur de matière noire de la collaboration NEWS-G, a été officiellement déclaré apte au service et a quitté le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM), où il avait été assemblé puis testé durant plus de 5 mois.

Au LSM, l’espace était, en ce début de novembre, encombré de caisses à destination du SNOLAB, un autre laboratoire souterrain situé dans une mine de Sudbury au Canada. A l’intérieur, se trouvaient les pièces de ce nouveau détecteur de matière noire, entièrement fabriquées par les laboratoires de l’IN2P3 et du CEA/IRFU et soigneusement emballées afin d’être transportées par bateau puis réassemblées au Snolab.

Enfoui sous 2000m de roches, ce détecteur gazeux de basse radioactivité va tester l’existence des hypothétiques WIMPs (particules de Matière Noire) de basses masses, c’est à dire d’une énergie comprise entre 0,1 et 3 GeV. 
 

La cosmologie moderne a maintenant bien établi l'existence de la matière noire. Mais la nature de celle-ci est encore une complète énigme. A l’opposé de ces échelles d’observation de l’infiniment grand, le monde de l’infiniment petit est très bien expliqué par le modèle standard de la physique des particules mais ne propose pas non plus de candidat particule pour cette matière noire. Pierre Brun, physicien des particules à l’Irfu, vient de recevoir une bourse européenne d'excellence ERC pour diriger son projet G-LEAD, GigaHertz Laboratory Experiment for Axion Dark Matter.

Elle vise à construire une expérience originale pour tester un candidat matière noire sous forme d’axions. Ces derniers ont été postulés à la fin des années 70 pour corriger une anomalie liée à un défaut sur une symétrie fondamentale appelée CP (pour la conjugaison de 2 symétries de Charge et de Parité) dans les interactions fortes. Il se trouve que l'axion a toutes les caractéristiques pour être une particule de matière noire : il est neutre, massif et interagit très faiblement avec la matière, si peu que, pour l'instant, il n'a jamais été observé. 

Exiger que l'axion, qui corrige l'anomalie de l'interaction forte, soit aussi la matière noire dans laquelle nous baignons, conduit à la prédiction d’une gamme de masse assez stricte mais pour autant une large bande par rapport aux expériences en cours sur la recherche d’axions. G-LEAD est une expérience exploratoire d’une gamme de masse allant de 10 et 1000 μeV.

Une équipe internationale, dirigée par des astronomes de l'Université de Cardiff et à laquelle a participé le Département d'Astrophysique du CEA-Irfu, a peut-être repéré pour le première fois le reste compact de la dernière explosion d'étoile visible à l'oeil qui est survenue le 23 février 1987 dans une galaxie voisine, le Grand Nuage de Magellan, à seulement 160 000 années-lumière.  
En utilisant les images à haute résolution du radio-télescope ALMA dans le désert d’Atacama au nord du Chili, l’équipe a découvert une petite zone de poussières, plus chaude que son environnement, et qui pourrait correspondre à l'emplacement supposé de l'étoile à neutrons compacte qui, selon les modèles, aurait du se former lors de l'explosion. Cet objet compact était recherché sans succès depuis plus de 30 ans. Cette découverte indirecte demande néanmoins à être confirmée par des données complémentaires. Ces résultats sont publiés dans la revue The Astrophysical Journal.

Une équipe internationale dirigée par le Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu vient d’obtenir des nouveaux indices sur l’origine de la distribution en masse des étoiles, en combinant des données d’observation provenant du grand interféromètre ALMA et du radiotélescope APEX opérés par l'Observatoire Européen Austral (ESO) et de l’observatoire spatial Herschel.  Grâce à ALMA, les chercheurs ont notamment découvert dans la nébuleuse dite de la Patte de chat, située à environ 5500 années-lumière, la présence de cœurs denses protostellaires beaucoup plus massifs que ceux observés dans le voisinage solaire. Les chercheurs ont pu montrer qu'il existe un lien étroit entre la distribution en masse des filaments interstellaires et la distribution en masse des étoiles. La densité - ou masse par unité de longueur - des filaments parents est donc le paramètre clé qui contrôle la « masse » des étoiles formées. Cette découverte donne un indice-clé sur l’origine des masses stellaires. Ces résultats sont publiées dans trois articles de la revue Astronomy & Astrophysics.

La masse manquante de l’univers ou matière noire non-baryonique est probablement constituée de particules qui restent à découvrir. Massives et neutres, aux interactions très faibles, elles échappent toujours à une détection qui permettrait de les identifier. Alors que les photons conventionnels sont sans masse, la matière noire pourrait être faite de particules d’un type nouveau, semblables à des photons massifs. De nouveaux résultats expérimentaux sur la recherche de matière non-baryonique sous cette forme, obtenus par une équipe de trois membres de l’Irfu viennent d’être publiés dans Physical Review Letters [1]. 

Tester le principe d’équivalence, un principe de base de la relativité générale élaborée par Albert Einstein dont une conséquence est l’universalité de la chute libre des corps dans le vide, tel est l’enjeu du satellite Microscope. Cette mission spatiale, financée et pilotée par le CNES, conçue par l’ONERA en collaboration avec l’Observatoire de la Cote d’Azur, le CNES et le ZARM (Brème, Allemagne),  a été lancée le 25 Avril 2016 avec à son bord l’instrument T-sage développé par l’ONERA. Dans une étude publiée dans la revue Classical and Quantum Gravity, l’équipe Microscope à laquelle participe une chercheuse du DEDIP (Département D’Electronique, des  Détecteurs et d’Informatique pour la Physique)/Laboratoire AIM du CEA-Irfu Paris-Saclay vient de vérifier la validité du principe d’équivalence avec une précision inégalée. En prenant minutieusement en compte les différentes sources de bruits, en mettant à profit une meilleure connaissance de l’instrument et en faisant appel à des outils d’analyse également utilisés en astrophysique, l’équipe a pu améliorer d’un facteur 10 la précédente mesure, rendant ainsi particulièrement robuste les résultats publiés antérieurement et confortant par là-même la validité du principe d’équivalence.

Les sursauts gamma sont des  émissions très brèves et extrêmement énergétiques qui accompagnent des cataclysmes astrophsyiques comme la mort d'une etoile massive. Ils sont détéctés jusqu'à présent par des gammas énergétiques dans la phase prompt (<1min) correpondant à l'explositon initiale et dans une phase rémanente correspondant à l'expansion de l'onde de choc dans le milieu. Dans cette phase rémanente, on détecte des gammas de basse énergie, du rayonnement X et visible.  Les sursauts gamma peuvent-ils aussi émettre des rayons gammas de très haute énergie plusieurs heures  après le sursaut initial? jusqu'à présent on ne l'avait jamais encore détecté.  Cette découverte a été faite en juillet 2018 par le télescope de 28 mètres du réseau H.E.S.S. en Namibie et a fait l'objet d'une publication dans Nature. Ces nouveaux résultats de H.E.S.S. permettent de poser des contraintes fortes sur les modèles de sursauts gammas cherchant à expliquer ces phénomènes d'accélérateurs cosmiques.

Le 20 juillet 2018, le détecteur de sursauts gamma GBM (Gamma-Ray Burst Monitor) à bord du satellite Fermi, suivi quelques secondes plus tard par le télescope spatial Swift, a émis une alerte sur les réseaux mondiaux concernant un sursaut gamma, appelé alors GRB 180720B. Dans la foulée de cette alerte, plusieurs observatoires terrestres ont immédiatement pointé dans la direction du sursaut gamma. Pour le réseau de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), cette position sur le ciel n'était observable qu'une fois la nuit tombée, 10 heures plus tard. Néanmoins, l'équipe de H.E.S.S. a décidé d'observer cette position afin de rechercher une éventuelle émission durant la phase rémanente du sursaut.

« Première lumière » pour l'instrument spectroscopique pour l’énergie noire, Desi (Dark Energy Spectroscopic Instrument) : son installation étant presque terminée, le nouvel instrument commence ses derniers essais avant d’entamer début 2020 et pour cinq ans une gigantesque cartographie du ciel. Cet instrument international, pour lequel le CEA, le CNRS, Aix-Marseille Université et la société Winlight System contribuent fortement, scrutera le ciel pour chercher à comprendre les effets de l’énergie noire.

L’instrument Desi, installé sur le télescope Mayall (Kitt Peak,Arizona), a activé, pour la première fois, son réseau de 5 000 "yeux" à fibres optiques sur le ciel nocturne pour capturer sa "première lumière". Ce jalon marque le début de la campagne de caractérisation finale de l’instrument avant le démarrage des observations scientifiques, prévue pour cinq ans, à partir de début 2020.

L’instrument enregistrera le spectre dans l’ultra-violet, le visible et l’infrarouge de 5 000 objets à la fois. Il est conçu pour pointer automatiquement vers une liste précise de galaxies et de quasars préalablement sélectionnés. Il en détectera la lumière et la décomposera en multiples longueurs d’ondes dans le but de mesurer la distance de ces objets à la Terre.

Patrick Hennebelle du Département d'astrophysique de l’Irfu va diriger une équipe de recherche internationale qui vient de recevoir une subvention ERC Synergy. Le financement est accordé au projet ECOGAL, dans le cadre duquel des chercheurs d'Allemagne, de France et d'Italie collaborent pour développer une compréhension de l’"écosystème galactique" de la Voie lactée.

Le défi de ces 4 chercheurs et de leurs équipes est de construire un modèle prédictif unique pour la formation des étoiles et des planètes dans notre galaxie. Pour comprendre la formation de notre galaxie à toutes ses échelles il est nécessaire de prendre en compte l'interaction complexe de phénomènes physiques souvent concurrents comme la gravité, la turbulence, les champs magnétiques et le rayonnement dans un milieu complexe qu’est le milieu interstellaire, un grand réservoir de gaz diffus et de poussières qui imprègnent la galaxie. Ce milieu est loin d’être vide : il représente environ 20 % de la masse de la matière visible dans la Voie Lactée. Il fait partie d'un écosystème au sein duquel les étoiles sont formées par effondrement gravitationnel des nuages moléculaires et agissent en retour en émettant leur rayonnement voir en éjectant violemment de la matière

Une équipe internationale dirigée par des chercheurs du Département d'Astrophysique (DAp) du CEA-Paris Saclay vient pour la première fois de sonder en détail les enveloppes de poussière entourant les étoiles encore en cours de formation (ou proto-étoiles dites de classe 0), grâce au grand interféromètre de l'IRAM, NOEMA, situé sur le Plateau de Bure en France. A leur grande surprise, les chercheurs ont découvert la présence de grains de poussière dont la taille augmente en se rapprochant de la proto-étoile centrale. La présence de gros grains de poussière, déjà formés moins de 100 000 ans après le début de l’effondrement du nuage de gaz initial, est extrêmement inattendue. Ces grains sont la matière première à partir de laquelle se forment les planètes. Ces résultats pourraient donc suggérer que la chronologie de la formation des futures planètes doit être ré-examinée. Ces conclusions sont publiées dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Lisa Bugnet figure parmi les 35 jeunes chercheuses lauréates des bourses L’Oréal-Unesco Pour les Femmes et la Science en 2019. Astérosismologue au Laboratoire Dynamique des Etoiles, des (Exo)planètes et de leur Environnement du DAP/Irfu, elle utilise les ondes sismiques émises par les étoiles pour sonder leur cœur et comprendre leur évolution depuis leur naissance jusqu’à leur fin de vie.

Les premiers résultats de la mission spatiale SVOM (pour Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor) viennent de tomber avant même le lancement prévu fin 2021. Comment est-ce possible ? Tout simplement parce que cette mission franco-chinoise ambitieuse, qui a pour l'objet l'étude des sursauts de rayons gamma de l'Univers, met également au point un réseau de caméras au sol capable de détecter l'émission de lumière visible qui suit le déclenchement de ces sursauts, les plus violentes explosions connues. Ce réseau baptisé GWAC (pour Ground-based Wide Angle Camera ou Caméra sol à grand champ) est déjà en opération à l'observatoire Xinglong au Nord-est de Pékin (Chine). Sa version de test, baptisé Mini-GWAC, a conclu avec succès une première campagne de surveillance et de suivi en temps réel des sources d'ondes gravitationnelles découvertes par les installations LIGO (USA) et Virgo (Italie). Ces résultats sont en cours de publication dans la revue Research in Astronomy and Astrophysics.

Une étude conduite par des astrophysiciens du Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu vient de révéler une grande quantité de galaxies aussi massives que la Voie Lacte?e dans l'univers lointain, grâce au grand interféromètre ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) au Chili. Ces galaxies étaient restées jusqu'ici invisibles en raison de l'atte?nuation de leur luminosité par la poussie?re interstellaire. Elles sont 10 à 100 fois plus nombreuses que toutes celles détectées jusqu'ici, à des distances où l'univers n'avait encore que deux milliards d'années. Cette grande abondance de galaxies massives dans l'univers jeune est en contradiction avec les mode?les the?oriques actuels de formation des galaxies et représente un nouveau défi pour notre compréhension des premiers âges de l'univers. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature du 7 aout 2019.

Voir la video : Interview David ELBAZ

Le satellite de la NASA TESS, en orbite depuis un an, vient de découvrir une planète type Saturne-chaud par la méthode de transit devant son étoile hôte, TOI-197, dont les caractéristiques physiques ont été déduites des mesures en astérosismologie (étude des vibrations de l'étoile) par le même instrument. La planète découverte est un Saturne chaud qui gravite autour d’une étoile de masse voisine de celle du Soleil mais plus avancée dans le cycle d’évolution stellaire. Ces résultats, prometteurs, sont le fruit d’une collaboration internationale joignant moyens spatiaux et outils au sol. Trois chercheurs du Département d’Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA-Irfu Saclay sont membres de ce projet qui soulignent aujourd’hui la synergie entre astérosismologie et science des exoplanètes. Ces travaux sont publiés dans la revue The Astronomical Journal.

L’installation de DESI, le Dark Energy Spectroscopic Instrument à l’observatoire Kitt Peak en Arizona vient de franchir une étape importante : avec 6 spectrographes opérationnels sur le site, la configuration minimale requise pour remplir les objectifs scientifiques du projet est atteinte. A terme, DESI comportera 10 spectrographes et s’engagera à partir de 2020 dans le relevé spectroscopique de 35 millions de galaxies et quasars, pour étudier la composante sombre de l’Univers. L’Irfu, responsable de la partie cryogénique des spectrographes, a largement contribué au succès de cette installation et finalise actuellement à Saclay la qualification des caméras du dernier spectrographe. En parallèle, d’autres jalons essentiels pour la construction de l’instrument sont atteints.

Les récentes détections d'ondes gravitationnelles, infimes vibrations de l'espace-temps, ont ouvert une nouvelle fenêtre d'observation de l'Univers. Deux chercheurs, dont Camilla Danielski du Département d'Astrophysique du CEA-Irfu, viennent ainsi de démontrer que, lorsque ces ondes sont émises par deux étoiles denses en orbite, elles peuvent être perturbées si une planète est en orbite autour de ce couple d'étoiles. Les ondes gravitationnelles, qui peuvent être détectées jusqu'à de grandes distances, sont alors un moyen infaillible de détecter une population de planètes inaccessibles autrement. L'expérience LISA (Spatial Interferometer with laser antenna), dont le lancement est prévu en 2034, pourra ainsi réveler des planètes géantes dans toute la Galaxie et même dans les galaxies compagnons des Nuages de Magellan. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Astronomy du 8 juillet 2019.

La première campagne approfondie de recherche de planètes autour de l'étoile la plus proche Alpha du Centaure A vient d'être réalisée sur le télescope VLT de l'Observatoire Européen Austral (ESO) à l'aide de l'instrument infrarouge NEAR (Near Earths in the AlphaCen Region). Basé sur la caméra infrarouge VISIR construite sous la maitrise d'oeuvre du Département d'Astrophysique du CEA-Irfu et en service à l'ESO depuis 2004, l'instrument NEAR est conçu pour détecter des planètes de la masse de la Terre et au delà. Une première campagne de plus de 100 heures d'observations sur 10 jours vient de s'achever avec la contribution des chercheurs du Département d'Astrophysique du CEA-Irfu, dans le but d'obtenir la  première image directe d'une potentielle exoplanète rocheuse située dans la zone habitable donc propice à la vie.

La caméra NectarCAM, équipée de près d'un quart de ses modules de détection, grâce notamment  à un financement obtenu auprès des labex P2IO, OCEVU et  OSUG2020, a vu ses premiers évènements de cascades atmosphériques dans le ciel de Berlin Adlershof, la nuit du 22 au 23 mai 2019. Elle est arrivée sur le site du prototype MST (Medium Size Telescope) le 16 mai 2019 en provenance du CEA-IRFU à Saclay. 

Après les vérifications nécessaires au sol, elle a été chargée sur le télescope avec succès par les équipes de l’IN2P3, de l'Irfu au CEA et de DESY Zeuthen.  La prise de données s’est déroulée sans heurts et à permis d’obtenir la première lumière avec la détection de gerbes atmosphériques dues aux rayons cosmiques.

Une étroite coopération entre toutes les équipes du consortium NectarCAM, sans oublier l’équipe du télescope, ont permis de mener à bien ce premier objectif, essentiel pour le projet, avant le déploiement sur site fin 2020 aux Canaries ( le site de l'hémisphère Nord de CTA).

La caméra "partielle" équipée de 23% de ses pixels va revenir début juillet sur sa plateforme d'intégration située à l'Irfu pour être complétée avec ses 1 855 pixels et rejoindre le site Nord de CTA en 2020. les équipes de différents laboratoires du CEA et du CNRS se préparent pour être en mesure de fabriquer jusqu’à 4 caméras par an sur un total de 15 caméras (parmi les 40 telescopes de taille moyenne de CTA).

Le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) est destiné à faire le relevé spectroscopique de 35 millions de galaxies et quasars à partir de 2020, pour étudier précisément les propriétés de l’énergie noire. Son installation, démarrée en 2018, est entrée récemment dans une nouvelle phase avec la réception et le montage des deux premiers spectrographes sur les 10 que comptera l’instrument. L’Irfu, partenaire du projet depuis la première heure, et responsable de la partie cryogénique des spectrographes,  a réalisé cette installation avec succès. Les 8 spectrographes suivants seront installés en mai et septembre prochains sous coordination de l’équipe de l’Irfu, en partenariat avec les équipe locales.

vidéo réalisée par Victor Silva (Irfu/DIS)

Grâce aux satellites en rayons X Chandra et XMM-Newton, une équipe internationale à laquelle a participé le Département d'Astrophysique du CEA-Irfu vient de découvrir l'existence de deux bulles de gaz chaud s'échappant jusqu'à des distances d'environ 500 années-lumière, de part et d'autre de l'environnement du trou noir massif situé au centre de notre Galaxie. Tout comme les messages des amérindiens transmis par des bulles de fumée visibles de loin, ces « cheminées de gaz chaud » nous renseignent aujourd'hui sur l'activité passée intense du trou noir et des régions centrales de notre Galaxie. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature du 21 mars 2019.

Une équipe internationale, menée par des chercheurs du Département d'Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA-Irfu vient de mettre en évidence une nouvelle population de galaxies très lointaines, qui avaient jusqu'à présent échappé aux observations les plus profondes de l’Univers. Durant l’été 2016, à plus de 5000 mètres d’altitude sur les hauts plateaux chiliens, les antennes du grand interféromètre ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ont scruté pendant plus de 20 heures une des régions les mieux étudiées du ciel. Ces observations y ont révélé des galaxies encore inconnues, très massives mais opaques, n’émettant que très peu de lumière visible en raison d’une grande quantité de poussières.  Ces galaxies « sombres », très lointaines, qui pourraient être les progénitrices des galaxies les plus massives de l'univers, révèlent  que l’ampleur de la formation des étoiles au cours des premiers milliards d’années de l’histoire cosmique pourrait avoir été jusqu'à présent largement sous estimée. Ces travaux viennent d'être publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics.

En explorant un échantillon de 16 des plus jeunes proto-étoiles grâce au réseau de l'Institut de radioastronomie millimétrique (IRAM), une équipe internationale d’astronomes, dirigée par des chercheurs du Département d’Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA Irfu, vient de montrer qu'une majorité de ces proto-étoiles possédaient des disques proto-planéraires où se formeront plus tard les planètes mais que ces disques précoces étaient beaucoup plus petits que prévus. La taille de ces disques autour des plus jeunes étoiles connues en pleine phase de formation, pourrait être limitée par l'influence du champ magnétique dont les effets ont été jusqu'ici sous estimés. Ces résultats font l'objet d'un fait marquant de la revue Astronomy & Astrophysics

Les neutrinos issus du Big Bang parcourent l’Univers depuis plus de 13 milliards d'années. Ils sont quasi indétectables mais leur empreinte sur la formation des grandes structures de l'Univers comme les galaxies, peut être détectée. Pour la première fois, cette trace du « fond diffus de neutrinos » issus du Big Bang sur les « oscillations acoustiques baryoniques » (BAO) a été déduite du relevé de 1,2 million de galaxies du "Sloan Digital Sky Survey" (SDSS). Ces données correspondent à 5 années d’observations de l’expérience BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), télescope au sol installé au Nouveau Mexique. Le résultat, publié dans la revue Nature Physics, montre comment la phase des BAO permet de contraindre le nombre d'espèces des neutrinos du modèle standard de la physique des particules.

Le groupe du DPhP participe à ce projet depuis plus de 10 ans et actuellement à son extension, le projet eBOSS. Dans un futur très proche, le projet DESI pourra étudier encore plus précisément ce fond de neutrinos cosmiques produit par le Big Bang.

Une collaboration internationale, impliquant le Département d’Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA irfu, a participé à l’étude d’un système exoplanétaire, Kepler-107, et a révélé une distribution étonnante de ses 4 planètes dont deux semblent résulter potentiellement d’un impact géant. C’est grâce à l’astérosismologie (l’étude des vibrations d’étoiles) et à la modélisation des transits planétaires, que les chercheurs ont pu déterminer la masse et le rayon de l’étoile centrale et de ses planètes avec une grande précision et mis en évidence la densité inhabituelle d’une des planètes. Cette anomalie peut être expliquée par une collision géante entre planètes, semblable sans doute à celle qui a affecté la Terre dans le passé pour former la Lune. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Astronomy du 4 février 2019

SNOGLOBE, le nouveau détecteur de matière noire de la collaboration NEWS-G, a été officiellement déclaré apte au service et a quitté le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM), où il avait été assemblé puis testé durant plus de 5 mois.

Au LSM, l’espace était, en ce début de novembre, encombré de caisses à destination du SNOLAB, un autre laboratoire souterrain situé dans une mine de Sudbury au Canada. A l’intérieur, se trouvaient les pièces de ce nouveau détecteur de matière noire, entièrement fabriquées par les laboratoires de l’IN2P3 et du CEA/IRFU et soigneusement emballées afin d’être transportées par bateau puis réassemblées au Snolab.

Enfoui sous 2000m de roches, ce détecteur gazeux de basse radioactivité va tester l’existence des hypothétiques WIMPs (particules de Matière Noire) de basses masses, c’est à dire d’une énergie comprise entre 0,1 et 3 GeV. 
 

Claudia Nones, physicienne des particules à l’Irfu, vient de recevoir une bourse ERC « Consolidator » pour ses recherches sur les neutrinos. Le projet BINGO vise à aller encore plus loin dans les performances des bolomètres scintillants, technique de détection d'une désintégration rare appelée double beta sans emission de neutrinos, signature de la nouvelle physique au delà du modèle standard de la physique des particules. 

La cosmologie moderne a maintenant bien établi l'existence de la matière noire. Mais la nature de celle-ci est encore une complète énigme. A l’opposé de ces échelles d’observation de l’infiniment grand, le monde de l’infiniment petit est très bien expliqué par le modèle standard de la physique des particules mais ne propose pas non plus de candidat particule pour cette matière noire. Pierre Brun, physicien des particules à l’Irfu, vient de recevoir une bourse européenne d'excellence ERC pour diriger son projet G-LEAD, GigaHertz Laboratory Experiment for Axion Dark Matter.

Elle vise à construire une expérience originale pour tester un candidat matière noire sous forme d’axions. Ces derniers ont été postulés à la fin des années 70 pour corriger une anomalie liée à un défaut sur une symétrie fondamentale appelée CP (pour la conjugaison de 2 symétries de Charge et de Parité) dans les interactions fortes. Il se trouve que l'axion a toutes les caractéristiques pour être une particule de matière noire : il est neutre, massif et interagit très faiblement avec la matière, si peu que, pour l'instant, il n'a jamais été observé. 

Exiger que l'axion, qui corrige l'anomalie de l'interaction forte, soit aussi la matière noire dans laquelle nous baignons, conduit à la prédiction d’une gamme de masse assez stricte mais pour autant une large bande par rapport aux expériences en cours sur la recherche d’axions. G-LEAD est une expérience exploratoire d’une gamme de masse allant de 10 et 1000 μeV.

L’aimant du projet Iseult, en installation à Neurospin (CEA Paris Saclay), a atteint son champ nominal de 11,7 teslas (T) le 18 juillet 2019. Il s’agit d’un record mondial pour un aimant IRM humain corps entier, qui vient couronner des années de R&D, à la pointe de l’innovation dans le domaine des aimants supraconducteurs. Au cours des prochains mois, les équipements nécessaires pour réaliser les images cérébrales seront installés autour de l’aimant ainsi que dans son tunnel central, pour en faire un scanner IRM humain capable de sonder le cerveau à des précisions jamais atteintes, au bénéfice de la recherche fondamentale, des sciences cognitives et du diagnostic des maladies neuro-dégénératives.

Dans sa version la plus courante, l’imagerie muonique est une technique intrinsèquement 2D : en effet les densités mesurées sont intégrées le long de la direction d’observation de l’instrument. En principe, une cartographie 3D peut tout de même être obtenue en combinant plusieurs projections, comme en imagerie médicale. Mais dans le cas de la muographie, le nombre de projections disponibles est généralement très réduit, à cause du temps d’acquisition nécessaire à chaque image. Un algorithme d’imagerie 3D vient d’être utilisé avec succès sur le télescope à muons TomoMu, dans le cadre d’une collaboration entre l’Université de Florence et l’Irfu. La structure 3D d’un objet test a été reconstruite avec seulement 3 prises de vue, grâce notamment à l’excellente résolution de l’instrument. Cette avancée très importante permet maintenant d’envisager l’étude de structures plus complexes, avec des applications variées depuis l’étude de réacteurs nucléaires en phase de démantèlement jusqu’à l’exploration des sols.

La caméra NectarCAM, équipée de près d'un quart de ses modules de détection, grâce notamment  à un financement obtenu auprès des labex P2IO, OCEVU et  OSUG2020, a vu ses premiers évènements de cascades atmosphériques dans le ciel de Berlin Adlershof, la nuit du 22 au 23 mai 2019. Elle est arrivée sur le site du prototype MST (Medium Size Telescope) le 16 mai 2019 en provenance du CEA-IRFU à Saclay. 

Après les vérifications nécessaires au sol, elle a été chargée sur le télescope avec succès par les équipes de l’IN2P3, de l'Irfu au CEA et de DESY Zeuthen.  La prise de données s’est déroulée sans heurts et à permis d’obtenir la première lumière avec la détection de gerbes atmosphériques dues aux rayons cosmiques.

Une étroite coopération entre toutes les équipes du consortium NectarCAM, sans oublier l’équipe du télescope, ont permis de mener à bien ce premier objectif, essentiel pour le projet, avant le déploiement sur site fin 2020 aux Canaries ( le site de l'hémisphère Nord de CTA).

La caméra "partielle" équipée de 23% de ses pixels va revenir début juillet sur sa plateforme d'intégration située à l'Irfu pour être complétée avec ses 1 855 pixels et rejoindre le site Nord de CTA en 2020. les équipes de différents laboratoires du CEA et du CNRS se préparent pour être en mesure de fabriquer jusqu’à 4 caméras par an sur un total de 15 caméras (parmi les 40 telescopes de taille moyenne de CTA).

Dans le cadre des améliorations de l’expérience ALICE auprès de l’accélérateur LHC du CERN, un nouveau trajectographe, appelé Muon Forward Tracker (MFT), est en cours de fabrication. Ce détecteur, dont l’Irfu est l’un des contributeurs principaux, est constitué de capteurs pixélisés en silicium micro-connectés à des circuits imprimés flexibles qui sont eux-mêmes collés sur des disques concentriques. Le prototype d’un de ces disques a été testé pour la première fois sous faisceau au CERN pendant l’été 2018. Le MFT permettra de déterminer le point d’origine des muons détectés par ALICE, ouvrant ainsi le champ à un nouveau programme de physique concernant l’étude du plasma de quarks et de gluons (QGP).

Le 29 novembre 2018 a eu lieu la livraison de la première version du logiciel du calculateur de l’instrument ECLAIRs. Ce calculateur, dénommé Unité de Gestion de la gamma-caméra et de Traitements Scientifiques (UGTS) sera embarqué sur le satellite Franco-Chinois SVOM, destiné à étudier les sursauts gamma. Il permettra la gestion de l’instrument ECLAIRs et la détection des sursauts gamma de la mission SVOM en temps-réel à bord. Ce logiciel, sous responsabilité scientifique du département d'astrophysique (DAp), est réalisé en forte collaboration entre ce dernier et le département d'électronique des détecteurs et d'informatique pour la physique (DEDIP) au sein de l’Irfu.

Le 4 décembre 2019, la réception mécanique du RFQ fourni par l’Irfu a eu lieu au sein du tunnel du projet ESS (European Spallation Source) à Lund, en Suède. À la suite de la livraison du RFQ le 27 août 2019, l’installation s’est tout de suite enchainée avec l’équipe Irfu présente et garante de son succès au cours des mois suivants.

La diffusion des neutrons thermiques est une technique utilisée par près de 8000 utilisateurs en Europe pour l’étude de la matière condensée et la science des matériaux. Cette technique a connu un âge d’or dans les années 2000, avec la fourniture de près de 35 000 jours-instruments pour les utilisateurs. Le paysage de la neutronique Européen est cependant en pleine mutation en raison de la fermeture progressive des réacteurs de recherche vieillissants. Une installation majeure, l’European Spallation Source, est en construction en Suède, mais elle ne pourra remplacer à elle seule l’ensemble du tissu des installations actuelles.

Le 27 août 2019, un équipement clé de l’accélérateur linéaire a été livré par la France à la collaboration ESS (European Spallation Source) à Lund, en Suède, au titre de ses contributions en nature à la source de neutrons européenne de nouvelle génération. Il s’agit de la première structure accélératrice, baptisée RFQ (quadrupôles radiofréquence). Ce RFQ a été conçu, développé et fabriqué par le CEA, partenaire français, au sein de l’Irfu, l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers.

La cosmologie moderne a maintenant bien établi l'existence de la matière noire. Mais la nature de celle-ci est encore une complète énigme. A l’opposé de ces échelles d’observation de l’infiniment grand, le monde de l’infiniment petit est très bien expliqué par le modèle standard de la physique des particules mais ne propose pas non plus de candidat particule pour cette matière noire. Pierre Brun, physicien des particules à l’Irfu, vient de recevoir une bourse européenne d'excellence ERC pour diriger son projet G-LEAD, GigaHertz Laboratory Experiment for Axion Dark Matter.

Elle vise à construire une expérience originale pour tester un candidat matière noire sous forme d’axions. Ces derniers ont été postulés à la fin des années 70 pour corriger une anomalie liée à un défaut sur une symétrie fondamentale appelée CP (pour la conjugaison de 2 symétries de Charge et de Parité) dans les interactions fortes. Il se trouve que l'axion a toutes les caractéristiques pour être une particule de matière noire : il est neutre, massif et interagit très faiblement avec la matière, si peu que, pour l'instant, il n'a jamais été observé. 

Exiger que l'axion, qui corrige l'anomalie de l'interaction forte, soit aussi la matière noire dans laquelle nous baignons, conduit à la prédiction d’une gamme de masse assez stricte mais pour autant une large bande par rapport aux expériences en cours sur la recherche d’axions. G-LEAD est une expérience exploratoire d’une gamme de masse allant de 10 et 1000 μeV.

Dotés d’une très faible masse les neutrinos jouent un rôle clé en en physique des particules et en cosmologie. La contrainte sur leur masse vient tout juste d’être améliorée par l'expérience KATRIN. La première campagne scientifique de 4 semaines de prise de données, au printemps 2019, contraint désormais la masse des neutrinos à moins de 1.1 électron-volt. Il s’agit de la meilleure mesure indépendante de tous modèles, apportant une amélioration d'un facteur 2 par rapport aux résultats expérimentaux antérieurs. La contrainte est encore inférieure à celle venant des mesures cosmologiques sur la masse totale de 3 saveurs de neutrinos, qui flirte avec la centaine de milli eV (meV).   Mais KATRIN va continuer à prendre plus de données durant les 5 prochaines années et devrait atteindre une sensibilité sur la masse du neutrino électronique voisine de 200 meV. Le haut potentiel de cette expérience réside dans sa précision et dans le fait que cette mesure est, elle, indépendante de tout modèle théorique contrairement aux mesures issues des observations cosmologiques. En effet elle repose sur la conservation de l’énergie et la mesure d’une expérience bien connue, la désintégration beta.

L’aimant du projet Iseult, en installation à Neurospin (CEA Paris Saclay), a atteint son champ nominal de 11,7 teslas (T) le 18 juillet 2019. Il s’agit d’un record mondial pour un aimant IRM humain corps entier, qui vient couronner des années de R&D, à la pointe de l’innovation dans le domaine des aimants supraconducteurs. Au cours des prochains mois, les équipements nécessaires pour réaliser les images cérébrales seront installés autour de l’aimant ainsi que dans son tunnel central, pour en faire un scanner IRM humain capable de sonder le cerveau à des précisions jamais atteintes, au bénéfice de la recherche fondamentale, des sciences cognitives et du diagnostic des maladies neuro-dégénératives.

Dans sa version la plus courante, l’imagerie muonique est une technique intrinsèquement 2D : en effet les densités mesurées sont intégrées le long de la direction d’observation de l’instrument. En principe, une cartographie 3D peut tout de même être obtenue en combinant plusieurs projections, comme en imagerie médicale. Mais dans le cas de la muographie, le nombre de projections disponibles est généralement très réduit, à cause du temps d’acquisition nécessaire à chaque image. Un algorithme d’imagerie 3D vient d’être utilisé avec succès sur le télescope à muons TomoMu, dans le cadre d’une collaboration entre l’Université de Florence et l’Irfu. La structure 3D d’un objet test a été reconstruite avec seulement 3 prises de vue, grâce notamment à l’excellente résolution de l’instrument. Cette avancée très importante permet maintenant d’envisager l’étude de structures plus complexes, avec des applications variées depuis l’étude de réacteurs nucléaires en phase de démantèlement jusqu’à l’exploration des sols.

Nougat, l’insert supraconducteur à haute température critique (SHT), fruit d’une collaboration CEA-CNRS, a atteint un champ magnétique central de 32,5 teslas établissant un nouveau record du monde dans le domaine des hauts champs pour un bobinage supraconducteur avec un diamètre utile de 38 mm. Lors de la campagne de tests au laboratoire CNRS/LNCMI de Grenoble, l’insert a atteint deux fois son point de fonctionnement nominal de 30 teslas et a fonctionné plus de 6 minutes au-dessus de cette valeur montant jusqu’à un champ magnétique central de 32,5 teslas dont 14,5 sont issus du seul aimant supraconducteur. Sa technologie de bobinage innovante « Metal-as-Insulation », developpée par l'équipe de l'Irfu du CEA, permet de concilier stabilité de fonctionnement et protection en cas de transition vers l’état résistif (quench).

Le champ magnétique est un outil indispensable pour la physique et les infrastructures de recherche associées (champs intenses, lignes de lumière, faisceau de neutrons …) nécessitant des champs magnétiques de plus en plus intenses. Si les aimants hybrides (alliant un aimant résistif interne et un aimant supraconducteur externe) permettent de générer des champs intenses records (jusqu’à 45 T), ils ont un coût énergétique très important et les durées d’expériences sont limitées à quelques heures.

Après bobinage, la septième et dernière bobine de FRESCA2 a quitté Saclay en juin 2019 dans son moule de réaction, mettant fin à l’activité de l’Irfu sur ce projet démarré en 2009 en collaboration avec le CERN. Cette bobine de type 3-4 est une bobine de réserve, qui, après réaction, instrumentation et imprégnation au CERN, viendra rejoindre sa sœur de type 1-2 sur les étagères du CERN.

Lors d’une première étape, le dipôle FRESCA2, un aimant dipôle en Nb₃Sn de 100 mm d’ouverture testé au CERN, avait atteint un champ de 13.3 T (cf. fait marquant du 20/09/2017).  Une nouvelle série de tests en avril 2018, après modification du préchargement mécanique de l’aimant, avait permis au dipôle FRESCA2 d’atteindre 14,6 T à la température de 1.9 K, un nouveau record de champ pour un dipôle de cette ouverture. Lors de ces essais, la stabilité de son fonctionnement a été validée respectivement à 14,4 T et 1.9 K et à 13.6 T et 4,5 K. Le dipôle a été qualifié : il va pouvoir maintenant être utilisé comme une station d’essai pour accueillir, en particulier, les tests de petits aimants réalisés à partir de supraconducteur à haute température critique.

Dans le cadre des améliorations de l’expérience ALICE auprès de l’accélérateur LHC du CERN, un nouveau trajectographe, appelé Muon Forward Tracker (MFT), est en cours de fabrication. Ce détecteur, dont l’Irfu est l’un des contributeurs principaux, est constitué de capteurs pixélisés en silicium micro-connectés à des circuits imprimés flexibles qui sont eux-mêmes collés sur des disques concentriques. Le prototype d’un de ces disques a été testé pour la première fois sous faisceau au CERN pendant l’été 2018. Le MFT permettra de déterminer le point d’origine des muons détectés par ALICE, ouvrant ainsi le champ à un nouveau programme de physique concernant l’étude du plasma de quarks et de gluons (QGP).