Département de Physique des Particules

JENNIFER3 aims to continue, further develop and finalize the research and communication activities started in 2015 within the JENNIFER project and currently being carried on by the JENNIFER2 MSCA-RISE project, which will conclude in may 2025. The community forming the JENNIFER3 consortium is putting together three research programs at experimental facilities located in Japan where very rare processes can be observed: accelerator produced neutrinos (T2K and HyperK collaborations), cosmic neutrinos detection (HyperK collaboration) and a high luminosity electron-positron collider (Belle II experiment at SUPERKEKB). Such programs use different approaches, are sensitive to different “messengers” of the new physics world and are essential to complement the so called “energy frontier” investigation which is carried on at the LHC. Sinergy and knowledge sharing among them is the drive force of the JENNIFER3 project, which on one hand fosters the collaboration of European scientists with the Japanese research community, while on the other hand promotes close collaboration among different European research groups around key technologies, such as cloud computing and data network developments, machine learning applications for data filtering and reconstruction, photon detection, solid state detectors, particle beam monitors. Collaboration with private sector technology providers is also essential to reach the scientific objectives of the project. All project members are also committed to disseminate and communicate their work to the scientific community and to the European society through various initiatives aiming to different targets. Cross fertilization between different research communities and approaches is the real added value to boost the project impact, both in terms of scientific results and of researchers’ careers.

We propose a conceptual design study for a 12-metre wide-field spectroscopic survey telescope (WST) with simultaneous operation of a large field-of-view (3 sq. degree), high-multiplex (20,000) multi-object spectrograph (MOS) and a giant 3x3 arcmin integral field spectrograph (IFS). In scientific capability these specifications place WST far ahead of existing and planned facilities. In only 5 years of operation, the MOS would target 250 million galaxies and 25 million stars at low spectral resolution plus 2 million stars at high resolution. Without need for pre-imaged targets, the IFS would deliver 4 billion spectra offering many serendipitous discoveries. Given the current investment in deep imaging surveys and noting the diagnostic power of spectroscopy, WST will fill a crucial gap in astronomical capability and work in synergy with future ground and space-based facilities. We show how it can address outstanding scientific questions in the areas of cosmology; galaxy assembly, evolution, and enrichment, including our own Milky Way; the origin of stars and planets; and time domain and multi-messenger astrophysics. WST’s uniquely rich dataset may yield unforeseen discoveries in many of these areas. The study will deliver telescope and instrument designs, cost estimates, an updated science white paper and survey plan, concept studies for data management, and a facility operation concept. The telescope and instruments will be designed as an integrated system and will mostly use existing technology, with the aim to minimise the carbon footprint and environmental impact. We will propose WST as the next ESO project after completion of the 39-metre ELT. Our consortium includes institutes from Australia, which has a strategic partnership with ESO and aims to apply shortly for full membership. Together with ESO and institutes in 9 European countries, our team has the necessary technical and scientific expertise, and brings 70 years of in-kind effort to the proposed study.

L'objectif de EntaNEU est de mesurer les corrélations quantiques (y compris l'intrication) dans les oscillations de neutrinos aux expériences à longue ligne de base (LLB). Nous proposons de tester les inégalités de Leggett-Garg (ILG) avec les données de T2K et d'estimer la sensibilité aux ILG des expériences futures DUNE et HyperKamiokande (HK). La mesure d'un ensemble plus large d'observables quantifiant les corrélations quantiques (CQ) sera également poursuivie avec les données T2K et les sensibilités correspondantes seront estimées pour les futures expériences à LLB. Le projet EntaNEU fournira la mesure expérimentale directe de la ‘non-localité temporelle’ et de l'intrication quantique dans le système à grande échelle des oscillations de neutrinos (couvrant des centaines de kilomètres). Le projet ira au-delà des études phénoménologiques actuelles des CQ dans les oscillations de neutrinos à LLB: EntaNEU sera la première étude réalisée dans le cadre d'une collaboration expérimentale (T2K) utilisant une simulation complète et un traitement détaillé des effets expérimentaux et ce sera la première mesure de CQ combinant les oscillations de neutrinos et d'antineutrinos. Il inclura également des valeurs plus récentes et plus précises des paramètres d'oscillation. L'estimation de la sensibilité de DUNE et d'HK aux CQ sera réalisée pour la première fois avec une modélisation minutieuse de la résolution en énergie et avec des estimations réalistes des incertitudes systématiques. La mesure des CQ, très précisément connues dans le cadre de la Mécanique Quantique, pourrait devenir un outil de calibration des mesures d'oscillation. De plus, l'étude des corrélations quantiques dans les neutrinos est une nouvelle voie pour étudier les propriétés des neutrinos et pour rechercher la nouvelle physique. Enfin, le rôle des oscillations de neutrinos au carrefour de l'information quantique et de et de la structure de l'espace-temps sera le thème d’ateliers dédiés.

Two facility concepts have been considered as potential pathways to the future of particle physics at the energy frontier in Europe: FCC-hh, a 100 TeV circular hadron collider and CLIC, a 3 TeV linear lepton (i.e. electron-positron) collider. The recent European Accelerator R&D Roadmap includes a novel option, a 10 or more TeV muon collider, which expands the lepton collider energy reach and promises compact dimensions, high efficiency and limited cost. Muons are point-like particles, in contrast to hadrons; a 10 TeV muon collider would have a comparable physics case, for a number of physics processes, to a 100 TeV hadron collider. The muon collider promises high benefit but also faces a significant risk, as it is the first of its kind and uses novel advanced technologies. The MuCol design study will address the core challenges identified in the Roadmap, develop the concept and technologies and demonstrate: • the physics case of the muon collider is sound and detector systems can yield sufficient resolution and rejection of backgrounds; • no principle technological issues will prevent the achievement of a satisfactory performance of the accelerator or the detectors; • the muon collider provides a highly sustainable energy frontier facility compared to other equivalent colliders; and • exploiting synergies with other scientific and industrial R&D projects, can provide Europe a leading edge in discovery potential and development of associated technologies. The final report will include a thorough assessment of benefits and risks of the accelerator and detector complex, including an evaluation of the scientific, industrial and societal return beyond high-energy physics, the cost scale and sustainability of the complex and the impact arising from an implementation on the CERN site. This will allow the next European Strategy for Particle Physics Update (ESPPU) process to make informed choices for the selection of the next large collider to be built in Europe.

Le projet HZ-3D-MAP vise à aborder les questions fondamentales de la cosmologie à travers de nouvelles observables, rendues accessibles grâce à l'imagerie moderne et aux grands relevés spectroscopiques. Ce projet apportera un éclairage nouveau sur les questions clés suivantes. Quelle est l'origine de l'expansion primordiale de l'Univers appelée inflation ? Quelles sont les propriétés de la toile cosmique au fil du temps ? Quelle est la distribution du gaz dans le milieu intergalactique et autour des galaxies ? Notre projet est conçu pour cartographier un grand volume de l'Univers avec une densité suffisante de galaxies de type Lyman-break (LBG), pour un décalage vers le rouge, (redshift) de 2.1 <z <3.5. Cet échantillon sera utilisé pour travailler sur trois projets principaux : 1) Nous mesurerons les fluctuations de densité à très grande échelle, nécessaires pour explorer l'inflation primordiale à travers la recherche de non-gaussianités. Nous étudierons le clustering des LBG dans le spectre de puissance angulaire. 2) Nous cartographierons l'univers lointain en utilisant l'absorption de l’hydrogène dans la forêt Ly-alpha détectée dans le spectre des LBG jusqu'à des échelles de 2Mpc. Cette tomographie à 3D fournira aussi des catalogues de vides et de proto-amas. 3) L'étude des paires proches constituées par une galaxie LBG et la forêt Ly-alpha d’un quasar permettra d’étudier la relation entre le gaz et les galaxies, un ingrédient clé pour notre compréhension de la formation des galaxies et pour étudier le milieu dit circum-galactique (CGM). Nous sélectionnerons les LBG à l'aide des catalogues photométriques du CFHT, le Large Area U-band Deep Survey (CLAUDS), le Deep Euclid U band Survey (DEUS) et le Canada-France Imaging Survey (CFIS). CLAUDS est déjà terminé et le CFIS est réalisé à plus de 70%. Le relevé spectroscopique DESI, mené auprès du télescope Mayall de 4 mètres à Kitt Peak, fournira à la fois les redshifts des LBG, et leur forêt Ly-alpha. DESI peut observer simultanément 5000 objets sur 8 degrés carrés, de l'UV au NIR, avec une résolution spectrale moyenne, R~4000. Il est parfaitement adapté aux objectifs de cette proposition. Le relevé principal de DESI a commencé en mai 2021 pour une durée de 5 ans. Au cours de la première année de HZ-3D-MAP, le catalogue profond CLAUDS nous permettra de finaliser la sélection des LBG et, combiné avec DESI, de mesurer les premières cartes 3D. Ensuite, CFIS, qui fournit une surface plus étendue, chevauchant la couverture du ciel de DESI, sera utilisé pour toute la surface de HZ-3D-MAP. Nous prévoyons trois relevés complémentaires : 1) Un large relevé photométrique de 9,000 deg. carré pour la mesure du clustering des LBG avec la fonction de corrélation angulaire. Nous visons une densité de cibles de 500 LBG par deg. carré pour r<23.8Les cibles LBGs sont sélectionnées avec le catalogue photométrique CFIS. 2) Un relevé spectroscopique profond de 100 degrés carrés pour la tomographie de l'IGM en utilisant la forêt Ly-alpha des LBG. Nous observerons un échantillon dense de 500 LBG par deg. carré pour r<23.8. Pour obtenir un rapport signal/bruit de l'ordre de 2 par pixel de 1Mpc, nous utiliserons un temps d'exposition pour DESI d'environ 5 heures. 3) Un relevé spectroscopique clairsemé, sur la couverture du ciel de DESI chevauchant l'empreinte CFIS. Pour les études CGM, nous attendons ~5 paires de (LBG-quasar) avec une petite séparation angulaire (<20-30''). Nous allons structurer cette demande autour de trois activités complémentaires, chacune animée par un thème scientifique (le clustering à très grande échelle, la tomographie 3D et l'interaction entre galaxies et gaz). Le financement de l'ANR apportera principalement au projet les ressources nécessaires pour recruter trois post-doctorants, pour financer les missions aux US et organiser une conférence sur la cartographie de l'Univers lointain.

L'avènement des relevés optiques de nouvelle génération permet de faire un grand pas en avant sur des questions fondamentales de la physique des particules et de la cosmologie, dont les plus importantes sont les valeurs inconnues des masses des neutrinos (Mnu) et la nature de la matière noire (DM). La forêt Lyman-alpha (Ly-a) est une mesure des fluctuations de l'absorption de la lumière par l'hydrogène neutre à des décalages vers le rouge de 2 à 5. En tant que sonde unique des fluctuations de la matière à petite échelle et à grand décalage vers le rouge, elle constitue un outil précieux pour aborder ces questions. Le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) est le plus grand relevé spectroscopique cosmologique à grand champ au monde, qui a commencé son relevé principal en 2021. Il fournit maintenant des données sur la forêt Ly-a avec une statistique et une qualité sans précédent. De nouvelles mesures de Mnu et des propriétés de la DM seront donc possibles dans un avenir proche, à condition que les prédictions théoriques pour la forêt Ly-a soient calculées avec une précision adaptée à ces données. Bénéficiant de la synergie déjà existante entre les groupes de Saclay et d'Aix-la-Chapelle, le projet DESI-Lya sera double. D'une part, il se concentrera sur l'étude des données DESI Ly-a à petite échelle. Cela se fera d'abord en appliquant les méthodes existantes pour mesurer le spectre de puissance 1D du flux d'absorption Ly-a. Cette mesure est très sensible aux propriétés instrumentales et aux systématiques associées, et nécessite donc un travail d’adaptation sur le nouvel instrument DESI. Dans un deuxième temps, une nouvelle approche pour mesurer le spectre de puissance du Ly-a en 3D à petite échelle sera mise en œuvre : cette mesure permettra pour la première fois un meilleur contrôle des propriétés thermiques du gaz intergalactique, un facteur clé pour répondre aux questions cosmologiques. D'autre part, le projet DESI-Lya s'intéressera aux développements théoriques pour préparer l'interprétation cosmologique des données Ly-a. Nous travaillerons à l'optimisation de la détection d'un signal provenant des masses de neutrinos, en améliorant notamment la robustesse du signal en combinaison avec d'autres sondes cosmologiques. Les oscillations de neutrinos nous indiquent que la perspective de mesurer une valeur non nulle de Mnu est très plausible, ce qui rend cette étude d'un intérêt majeur. Nous modéliserons également l'impact des propriétés de la DM sur les observables Ly-a : sa distribution des vitesses, ses auto-interactions, etc. Ce travail permettra d'élargir les études précédentes, en testant de nouveaux types de modèles de DM. Enfin, l'interprétation des données Ly-a, précises et à petite échelle, nécessite de modéliser en conséquence les propriétés thermiques et de densité du milieu intergalactique. Ceci est fait avec des simulations hydrodynamiques cosmologiques. D'importants progrès méthodologiques ont été réalisés au cours des dernières années afin d'optimiser l'utilisation de cet outil très gourmand en ressources informatiques, permettant de calculer des prédictions précises du Ly-a sur un large espace de paramètres cosmologiques et astrophysiques à un coût abordable. Au sein du projet DESI-Lya, nous utiliserons et optimiserons ces nouveaux outils, en particulier les émulateurs et les simulations hydrodynamiques optimisées les mieux adaptés à la forêt Ly-a. Au total, le projet DESI-Lya conduira à une contrainte forte et robuste sans précédent sur Mnu à partir des données Ly-a, ou à un indice significatif d'une détection, et à de nouvelles perspectives sur les propriétés de la DM.