Institut de physique théorique

Le projet "Precise Parton Showers for jet Substructure" (P2S2) combine deux des domaines de recherche les plus importants de la physique des collisionneurs et des interactions fortes : les générateurs d'événements Monte Carlo et l'étude de la sous-structure des jets. En améliorant les algorithmes de cascades partoniques, qui sont au cœur des générateurs Monte Carlo, nous serons en mesure de simuler la sous-structure des jets avec une précision logarithmique à l'ordre next-to-next-to-leading (NNLL) dans les collisions hadroniques. Ce résultat sera obtenu en deux étapes distinctes. Tout d'abord, nous atteindrons la précision NNLL pour le rayonnement à partir de l'état initial dans les collisions hadroniques. Nous y parviendrons en adaptant l'algorithme de la cascade partonique de manière à ce qu'il reproduise les contributions virtuelles pertinentes. Deuxièmement, nous atteindrons la précision NNLL pour le rayonnement à partir de l'état final en modifiant encore l'algorithme de la cascade partonique de manière à ce que les embranchements triple-collinéaires soient correctement décrits et que le processus dur soit simulé avec une cinématique exacte à l'order next-to-leading (NLO). Dans les deux cas, même si les preuves analytiques sont dans une certaine mesure réalisables, une validation approfondie par des tests numériques complexes sera nécessaire et sera effectuée. Une fois que le nouvel algorithme de cascade partonique aura été validé et mis en œuvre dans les générateurs Monte Carlo, il sera possible de générer des événements pour les collisions proton-proton au LHC, de regrouper les particules de l'état final dans des jets et d'analyser toutes les observables de la sous-structure des jets avec la garantie que leur description théorique est au moins précise au niveau NNLL. Cette précision est égale (ou supérieure) à l'état actuel des caculations analytiques dédiées, et conserve la flexibilité beaucoup plus grande associée aux générateurs de Monte Carlo.

Les séquences biologiques (ADN, ARN, protéines) sont des chaînes d'acides aminés ou de nucléotides. Un principe clé en biologie est que la séquence détermine la fonction d'une molécule dans l'organisme. Cependant, cette relation est complexe et dépend du contexte. Comprendre comment des fonctions diverses sont encodées dans ces séquences est une question fondamentale en biologie. La conception de séquences peut être vue comme un problème inverse : étant donné une fonction phénotypique souhaitée, quelles séquences peuvent l'accomplir ? En raison de la complexité de la relation entre séquence et fonction, concevoir des séquences biologiques pour des fonctions spécifiques est un défi, avec de nombreuses applications en santé, industrie, et au-delà. Au cours de l'évolution, la variation des séquences est limitée par la conservation des fonctions. Aujourd'hui, des ensembles de données massifs peuvent être collectés via des expériences à haut débit, riches en signaux évolutifs qui peuvent éclairer la correspondence séquence-fonction. Des modèles d'apprentissage automatique appris sur ces données peuvent prédire les fonctions et générer de nouvelles séquences. Dans ce projet, nous allons développer des modèles génératifs qui encodent des séquences dans des espaces de représentation fonctionnellement interprétables. En appliquant des contraintes appropriées lors de l'apprentissage, nous nous assurerons que les propriétés fonctionnelles d'intérêt correspondent à des coordonnées démêlées de l'espace de représentation. Ces coordonnées pourront ensuite être manipulées indépendamment pour concevoir des séquences dotées de propriétés spécifiques. Pour cela, nous développerons des méthodes d'apprentissage automatique nouvelles, étudierons les limites fondamentales de l'apprentissage de la représentation en utilisant des approches de physique statistique appliquées aux réseaux neuronaux, et travaillerons avec des collaborateurs expérimentaux pour valider les séquences conçues.

Le LHC et la nouvelle génération de détecteurs gravitationnels fournissent une énorme quantité de données expérimentales, offrant une occasion unique de tester le modèle standard de la physique des particules et la théorie de la relativité générale d'Einstein. Pour mettre en œuvre avec succès ce programme, nous avons besoin de méthodes puissantes pour calculer des prédictions théoriques de haute précision pour les observables physiques pertinentes. À cette fin, nous nous proposons de développer une nouvelle technique pour calculer les amplitudes de diffusion avec un grand nombre de particules impliquées dans la théorie des perturbations, à la fois pour la théorie de jauge et pour la théorie de la gravité. Nous prévoyons d'appliquer cette technique pour calculer trois classes différentes d'observables : (i) Les sections efficaces différentielles à des multiplicités élevées, pertinentes pour la physique du LHC, (ii) Les corrélations d'énergie, qui nous permettent de comprendre les propriétés des jets dans la QCD, et (iii) Les observables décrivant le rayonnement gravitationnel des systèmes binaires. Nous nous appuierons sur les progrès récents réalisés dans le domaine des "Amplitudes" et utiliserons la théorie supersymétrique de Yang-Mills, l'intégrabilité, les méthodes algébrico-géométriques appliquées aux observables de la théorie de jauge et le formalisme exponentiel pour les observables gravitationnelles. Notre objectif est d'obtenir de nouveaux résultats pour les observables susmentionnées et de découvrir des structures cachées dans les théories de jauge et la gravité.

L'étude des propriétés spectrales des espaces localement symétriques, en particulier des variétés hyperboliques, constitue un objectif central de l'analyse harmonique abstraite, avec des implications considérables dans l'ensemble des mathématiques. Malgré la diversité des outils employés pour établir des estimations spectrales dans ce contexte, les résultats conjecturaux optimaux restent inaccessibles. Dans un domaine apparemment sans rapport, le bootstrap conforme a émergé comme une méthode puissante de la physique mathématique, utilisée pour élucider les théories conformes des champs (CFT) en toute dimension. Cependant, cette méthode éclaire peu le problème de la construction des CFT en dimensions supérieures. De plus, elle est inefficace dans les CFT non-unitaires, dont beaucoup présentent un grand intérêt mathématique. Récemment, le chercheur principal a découvert des connexions surprenantes entre l'analyse harmonique et le bootstrap conforme. Cette convergence a déjà permis d'établir de nouvelles bornes rigoureuses et presque précises sur les spectres des variétés hyperboliques tout en fournissant un contexte plus large pour la solution révolutionnaire de Viazovska au problème de l'empilement de sphères. L'objectif du programme proposé est d'étendre de manière significative l'interaction émergente entre l'analyse harmonique et la théorie conforme des champs en dimension générale et de l'utiliser pour réaliser des avancées quantitatives des deux côtés de la correspondance. Premièrement, j'appliquerai les méthodes du bootstrap conforme pour établir de nouvelles estimations sur les données spectrales des espaces localement symétriques. Dans les cas arithmétiques, cette approche améliorera les bornes actuelles sur les fonctions L correspondantes. Deuxièmement, je formulerai rigoureusement la théorie conforme des champs en dimensions supérieures dans le cadre de l'analyse harmonique abstraite. Une notion de positivité, précédemment négligée, qui émerge dans la nouvelle formulation, me permettra d'étendre le bootstrap conforme aux CFT non-unitaires et ainsi d'établir de nouvelles estimations sur leurs exposants de dimension.

This work focuses on the evaluation of integrals encountered in Post-Minkowskian perturbative expansion of gravitational observables, using the modern scattering amplitude techniques. In particular, we encounter integrals having a very complicated analytic structure in the form of integrals containing elliptic curves. These integrals are one of the main bottlenecks in the present computations. The aim is to utilise studies from collider physics to evaluate these integrals.

The Quantum Secure Networks Partnership (QSNP) aims at creating a sustainable European ecosystem in quantum cryptography and communication. A majority of its partners are participants in the Quantum Flagship projects CIVIQ, UNIQORN and QRANGE, and include world-leading academic groups, research and technology organizations (RTOs), quantum component and system spin-offs, cybersecurity providers, integrators, and telecommunication operators. The Partnership thus has the expertise in all technology development phases, from new designs to field deployment, making it ideal to carry out the future Specific Grant Agreement (SGA) projects. QSNP is structured around three main Science and Technology (ST) pillars. The first two pillars, “Next Generation Protocols” and “Integration”, focus on frontier research and innovation led mostly by academic partners and RTOs. The third ST pillar “Use cases and Applications” aims at expanding the industrial and economic impact of QSN technologies and is mostly driven by companies. In order to achieve the specific objectives within each pillar and ensure that know-how transfer and synergy between them are coherent and effective, QSNP has established ST activities corresponding to the three main layers of the technology value chain, “Components and Systems”, “Networks” and “Cryptography and Security”. Future SGA projects will be able to efficiently rely on this framework, in such a way that the ultimate objective of developing quantum communication technology for critical European infrastructures, such as EuroQCI, and private information and communication market sectors, will be achieved. QSNP will contribute to achieving European sovereignty in quantum technology for cybersecurity. At the same time, it will generate significant economic benefits to the whole society, including training a new generation of scientists and engineers, and the creation of high-tech jobs in the rapidly growing quantum industry.

The Quantum Secure Networks Partnership (QSNP) project aims at creating a sustainable European ecosystem in quantum cryptography and communication. A majority of its partners, which include world-leading academic groups, research and technology organizations (RTOs), quantum component and system spin-offs, cybersecurity providers, integrators, and telecommunication operators, were members of the European Quantum Flagship projects CIVIQ, UNIQORN and QRANGE. QSNP thus gathers the know-how and expertise from all technology development phases, ranging from innovative designs to development of prototypes for field trials. QSNP is structured around three main Science and Technology (ST) pillars. The first two pillars, “Next Generation Protocols” and “Integration”, focus on frontier research and innovation, led mostly by academic partners and RTOs. The third ST pillar “Use cases and Applications” aims at expanding the industrial and economic impact of QSN technologies and is mostly driven by companies. In order to achieve the specific objectives within each pillar and ensure that know-how transfer and synergy between them are coherent and effective, QSNP has established ST activities corresponding to the three main layers of the technology value chain, “Components and Systems”, “Networks” and “Cryptography and Security”. This framework will allow achieving the ultimate objective of developing quantum communication technology for critical European infrastructures, such as EuroQCI, as well as for the private information and communication technology (ICT) sectors. QSNP will contribute to the European sovereignty in quantum technology for cybersecurity. Additionally, it will generate significant economic benefits to the whole society, including training new generations of scientists and engineers, as well as creating high-tech jobs in the rapidly growing quantum industry.

Solid-state materials hosting topological insulating (TI) states have been intensely studied following predictions that their bulk and surface features may serve as robust platforms for spintronics, quantum computing, and magnetoelectric responses. 3D topological crystalline insulator (TCI) states protected by crystal symmetries have also been predicted, and through first-principles (DFT) calculations, thousands of candidate TIs and TCIs have been identified, including correlated charge-density-wave and magnetic variants. Though topological materials can readily be mathematically classified, we still do not know the bulk experimental signatures and advantageous properties of most topological states, limiting their practical applicability in chemistry, materials science, and quantum devices. To unlock the immense promise of solid-state TIs and TCIs, I propose to leverage the group theory of crystal symmetries to produce a “Rosetta Stone” to translate the mathematical topological classification into robust and intuitive experimental observables, such as the spin and charge trapped by defects and new electromagnetic responses. First, we will devise theories of topological spin-, orbital- (valley-), and layer-resolved bulk, surface, and crystal defect responses in 3D TCIs and introduce numerical methods for their identification in real materials. Next, we will for the first time construct a position-space, symmetry-based methodology for systematically enumerating and analyzing superconducting (SC) TCIs, which may host excitations advantageous to the storage and manipulation of quantum information. We will introduce the fundamentally new notion of SC symmetry groups to characterize SC TCIs by exploiting tension between their position- and momentum-space descriptions. This will uniquely allow us to side-step specifying the mechanism or strength of the SC order. For both lines of inquiry, we will apply data mining and DFT to identify and characterize material candidates.

L’effet de lentille gravitationnelle faible est la principale sonde de la distribution de matière noire dans l’Univers, ce qui en fait l’un des axes majeurs des futurs grands relevés de galaxies tels qu’Euclid et le Legacy Survey of Space and Time. La méthode standard de mesure du lentillage faible, appelée cisaillement cosmique, consiste à observer l’alignement apparent des galaxies qui résulte de la déviation cohérente de la lumière par les grandes structures de l’Univers. Cette technique est toutefois limitée par notre ignorance de la forme et de l’orientation intrinsèque des galaxies. Le projet ELROND propose d’utiliser des anneaux d’Einstein comme “formes standards” pour mesurer le cisaillement cosmique sans souffrir des erreurs systématiques inévitablement liées à l’utilisation des galaxies comme sources lumineuses. Il permettra à terme de produire une mesure indépendante du paramètre cosmologique S8 et offrira de nouvelles sondes de la distribution de matière noire aux petites échelles. L’idée sous-jacente à ELROND est solidement motivée par des études théoriques (Birrer et al. 2017, Fleury et al. 2021) et sa faisabilité a déjà été démontrée sur des images simulées d’anneaux d’Einstein (Hogg et al. 2023). Le projet comporte trois axes quasi indépendants. Premièrement, nous évaluerons le potentiel cosmologique des anneaux comme sondes du cisaillement cosmique, en calculant le gain de précision et de justesse qui résulterait de leur utilisation pour la mesure de S8 dans le cadre d’Euclid. Deuxièmement, nous confirmerons la mesurabilité du cisaillement de ligne de visée sur des images réelles d’anneaux d’Einstein, et nous l’appliquerons aux données du relevé COSMOS-Web du James Webb Space Telescope. Troisièmement, nous explorerons la détectabilité des perturbations de ligne de visée au-delà du cisaillement, telles que la flexion, et nous étudierons leur capacité à révéler les propriétés de la distribution de matière noire aux petites échelles.

Pendant des décennies, nous avons essayé d'expliquer la valeur de la masse du boson de Higgs en termes de symétrie. Nous nous attendions à ce que de nouvelles symétries et les nouvelles particules qui les réalisent apparaissent, d'abord au LEP, puis au Tevatron et enfin au LHC. Après plus de 40 ans, nous ne les avons pas observées et l'origine de l'échelle des interactions faibles reste mystérieuse. Dans cette proposition, je propose un changement complet de perspective sur le problème. L'origine de l'échelle faible se situe aux premiers temps de l'histoire de l'Univers, mais elle laisse aujourd'hui des traces non négligeables en laboratoire. Je discute de la façon dont la valeur de la masse du boson de Higgs peut être liée à l'évolution de l'Univers, en développant un programme pour explorer pleinement les conséquences expérimentales de cette possibilité. L'impact d'un tel changement de perspective est considérable : il modifie radicalement notre compréhension de l'origine de l'échelle faible. Il offre une toute nouvelle motivation pour les expériences cosmologiques actuelles et futures. L'impact est également profond sur le programme expérimental de physique des hautes énergies puisque cette classe d'idées indique un certain nombre de nouvelles expériences et signatures, allant des sondes de forces à longue portée aux nouvelles signatures au LHC et dans les futurs collisionneurs.

The Internet has had a revolutionary impact on our world. The vision of a Quantum Internet is to provide fundamentally new Internet technology by enabling quantum communication between any two points on earth. In synergy with the ‘classical’ Internet that we have today, a Quantum Internet will connect quantum processors to achieve unparalleled capabilities that are provably impossible using classical communication. The mission of the Quantum Internet Alliance (QIA) is to build a global Quantum Internet made in Europe – by developing a full-stack prototype network, and by driving an innovative European Quantum Internet ecosystem capable of scaling the network to world-leading European technology. Building on its proven track record in teamwork, which has already resulted in world first Quantum Internet technology, QIA advances this mission in two complementary objectives: The first is the realization of a full-stack prototype network able to distribute entanglement between two metropolitan-scale networks via a long-distance backbone (>500 km) using quantum repeaters. The second is the establishment of a European platform for Quantum Internet development, which will act as a catalyst for a European Quantum Internet Ecosystem including actors all along the value chain. QIA’s network will enable advanced quantum-network applications and prepare the ground for secure quantum computing in the cloud, thanks to our new generation of end nodes including both processing nodes and low-cost photonic client devices. Nodes in the metropolitan network will be interconnected via hubs that allow the scalable connection of hundreds of end nodes, paving the way for early adopters. The long-distance backbone will be realized using fully functional quantum repeaters unlocking Pan-European end-to-end quantum communication. QIA’s prototype network will operate on standard optical fibers and serves to validate all key sub-systems, ready to be scaled by European industry.

The mission of the Quantum Internet Alliance (QIA) is to build a global Quantum Internet made in Europe – by developing a full-stack prototype network, and by driving an innovative European Quantum Internet ecosystem capable of scaling the network to worldleading European technology. Building on its proven track record in teamwork, which has already resulted in world first Quantum Internet technology, QIA advances this mission in two complementary objectives: The first is the realization of a full-stack prototype network able to distribute entanglement between two metropolitan-scale networks via a long-distance backbone (>500 km) using quantum repeaters. The second is the establishment of a European platform for Quantum Internet development, which will act as a catalyst for a European Quantum Internet Ecosystem including actors all along the value chain. QIA’s network will enable advanced quantum-network applications and prepare the ground for secure quantum computing in the cloud, thanks to our new generation of end nodes including both processing nodes and low-cost photonic client devices. Nodes in the metropolitan network will be interconnected via hubs that allow the scalable connection of hundreds of end nodes, paving the way for early adopters. The long-distance backbone will be realized using fully functional quantum repeaters unlocking Pan-European end-to-end quantum communication. QIA’s prototype network will operate on standard optical fibers and serves to validate all key sub-systems, ready to be scaled by European industry. In this first SGA we will advance towards the long-term objectives set up in the FPA project. Here we present in detail how work will be implemented during this first phase of the SGA.