1. Introduction

L’équipe DARK s’est formée historiquement autour de trois thématiques permettant de définir une approche originale de la cosmologie à partir de plusieurs sondes. Ces projets ont été menés en parfaite cohérence depuis plus de 10 ans selon un calendrier progressif : l’étude du rayon cosmique de haute énergie et la phénoménologie associée à leur origine et leur propagation, effectuée en lien avec la détection indirecte de matière noire ; ces études ont été menées depuis les années 90 à travers une participation à des expériences « ballon » puis au sein de la collaboration AMS-02, expérience actuellement sise sur la station spatiale internationale ; le second thème concerne l’étude de l’inflation cosmologique et de la matière noire, dans le cadre du projet LSST, qui est né au LPSC dans les années 2000 ; plus récemment enfin, a été développée une activité théorique liée à la cosmologie et la gravité quantique.

2. Le projet LSST

Le projet LSST (Large Synoptic Survey Telescope) est un télescope en cours de construction au Chili qui permettra de dresser une carte 3D de l’Univers avec une profondeur et une précision inégalées. En ce qui concerne la cosmologie, il produira notamment un catalogue de plusieurs milliards de galaxies et de centaines de milliers d'amas de galaxies à partir de 2022. Ces données permettront une analyse sans précédent de notre univers. L'étude des oscillations acoustiques de baryons, ou de l'évolution du nombre d'amas de galaxies, par exemple, aideront à mieux comprendre l’énergie noire qui représente 69% de la densité d’énergie de l'Univers aujourd'hui. Il sera également possible d’obtenir des informations précieuses sur la matière noire qui représente 26% de la densité d’énergie.

 Activités cosmologiques au sein de DESC

La science permise par LSST couvre un spectre très large de thématiques, qui sont étudiées dans le cadre de collaborations scientifiques indépendantes. Avec environ 900 membres, la Dark Energy Science Collaboration (DESC) est la plus grande de ces collaborations et s'intéresse à tout ce qui touche à l'exploitation cosmologique des données LSST. Sur la période 2016-2018, le groupe LSST du LPSC s’est impliqué dans DESC à plusieurs niveaux, et plus particulièrement dans le cadre de i) l’étude des structures à grande échelle (Large Scale Structures, LSS), ii) la reconstruction des redshifts photométriques (photo-z) et iii) l’utilisation cosmologique des amas de galaxies. Iv) la reconstruction de l’échelle des BAO : les approches ont permis de valider l’ensemble des éléments et ont produit des résultats très encourageants quant à l’efficacité de la reconstruction de l’échelle BAO jusqu’à de grandes distances.

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Le spectre de puissance de matière – et plus particulièrement de l’échelle des oscillations acoustiques de baryons (BAO) –, mesuré via la distribution des galaxies dans l’univers, est une grandeur centrale de cosmologie observationnelle. Il s’agit en effet d’une sonde géométrique puissante de l’expansion de l’univers. Le groupe du LPSC a collaboré durant de nombreuses années avec l’équipe du LAL sur ce sujet. Sur la période 2016–2018, le cœur de l’activité a consisté à estimer l’impact des incertitudes liées aux photo-z, tels que LSST pourra les mesurer, sur la reconstruction du spectre de puissance (voir figure). Cette étude a été réalisée grâce à des simulations end-to-end développées en collaboration avec le LAL et à un code de reconstruction des photo-z développé au LPSC. Elle a permis de montrer que les photo-z ne seront un facteur limitant à la mesure de l’échelle BAO qu’à haut redshift : la variance cosmique domine le budget d’erreur à bas redshift et l’usage des photo-z aux redshifts intermédiaires ne dégrade que faiblement les résultats (par rapport à l’utilisation des redshifts d’entrée de la simulation).
Le comptage d'amas de galaxies (par unité de redshift et de masse) est une grandeur sensible à l'histoire de l'expansion de l'univers ainsi qu'à la croissance des structures. L’utilisation de cette sonde cosmologique requiert notamment la connaissance de la masse des amas, dont la mesure est étalonnée par l’effet de lentille faible (Weak lensing, WL). Nos activités en lien avec les amas de galaxies ont débuté en 2016, en collaboration avec l'équipe LSST nouvellement formée au LAPP. Nous nous sommes positionnés dans DESC autour de la ré-analyse de données sol existantes (par exemple CFTH) avec la chaîne d'analyse d'images développée par le projet LSST (le DM-stack). Nous avons également développé un outil de reconstruction de la masse des amas par WL à partir des catalogues produits par le DM-stack. En 2018, nous avons également rejoint le projet CLMassMod de DESC visant à produire un ensemble de codes permettant de tester les potentiels effets systématiques liés aux hypothèses de modélisation du WL. Ces activités sont en cours et se poursuivront au-delà de 2018.

Le système chargeur de filtres

Dans le cadre du système d’échangeur de filtres de la caméra, le LPSC a pris la responsabilité de la fourniture de tous les éléments nécessaires à la construction et au fonctionnement du système « Chargeur de filtres ». Les déplacements des filtres à l’intérieur du chargeur sont entièrement automatisés. La mise en œuvre de l’automate et l’environnement électronique nécessaire au pilotage est à la charge du LPSC. Par ailleurs la conception du chargeur doit répondre aux normes sismiques définies par le projet LSST. Le LPSC doit donc fournir un ensemble mécatronique documenté, testé et validé fonctionnant à partir de commandes de haut niveau. De plus il est requis que l’intérieur du chargeur de filtre respecte un niveau de propreté équivalent à une salle blanche de type ISO 6 : la construction du chargeur doit donc se faire dans des conditions de propreté rigoureuses. Le service d’études et de réalisations mécaniques et le service électronique sont ainsi fortement impliqués dans ce projet.
En juin 2017, le chargeur de filtre a passé la Manufacturing Design Review avec succès. Un prototype complet du système changeur de filtres a été construit dans les laboratoires de l’IN2P3 impliqués et installé au LPNHE. Le prototype du chargeur de filtre construit au LPSC y a été installé et testé au premier semestre 2018. Tous les tests requis en mode autonome ont été réalisés. Le chargeur répond à toutes les spécifications relatives à ce mode.

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La construction du premier modèle a commencé à l'automne 2018. Des éléments auxilliaires ont également été conçus au LPSC où ils sont en construction : l'enceinte de stockage qui accueillera les six filtres dans la salle blanche de LSST, le chariot de transport qui permettra de déplacer le chargeur depuis la salle blanche jusqu’à la zone sous pont du télescope qui sera livré en deux exemplaires, et le banc de maintenance pour inspecter les filtres par exemple.

Le banc d'étalonnage de la caméra

Le CCOB (Camera Calibration Optical Bench) se décompose en deux instruments qui vont fournir une mesure précise de la réponse du plan focal CCD et permettre la vérification du bon fonctionnement de la caméra. Dans un premier temps, lors de la phase d’intégration des CCDs dans le cryostat, l’ensemble du plan focal sera scanné avec un faisceau de diamètre comparable à la taille d’un CCD (~40 mm), en l’absence des optiques. Le faible pas de balayage va permettre l’obtention d’une carte de la réponse relative des pixels. C’est le CCOB_WB (pour Wide Beam). Dans un second temps, le plan focal sera ponctuellement éclairé par un faisceau fin (~2 mm), de longueur d’onde et d’angle d’incidence variables. Cette dernière étape sera effectuée en présence des optiques de la caméra (filtres et lentilles) à SLAC puis, probablement, pour la maintenance au Chili.

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Cette seconde configuration a pour objectif, par exploitation de la position des images fantômes, l'évaluation du mésalignement des optiques et la mesure de la transmission des filtres. C’est le CCOB_NB (pour Narrow Beam). Le CCOB-WB a été livré à SLAC en octobre 2017. Il a été exhaustivement testé et se fonde sur un jeu de 6 LEDs correspondant aux 6 filtres de LSST. Des tests de validation de l’instrument développé au LPSC ont été menés depuis 2016 au LPNHE, puis à SLAC sur des CCDs scientifiques. Le LPSC est également chargé de l'analyse utilisant les données du CCOB afin d'obtenir la réponse relative de l'ensemble des pixels du plan focal. Cette analyse comporte deux étapes : la reconstruction du faisceau à 0.1% et l'utilisation de ce modèle de faisceau pour réaliser un flat field composite et mesurer la réponse relative des pixels. La réalité des CCD et des données prises à SLAC depuis la livraison nous ont contraints à repenser l'approche initialement envisagée pour la reconstruction du faisceau.
La conception du CCOB-NB a eu lieu en parallèle et les premiers éléments mis en place en 2018.

3. Rayonnement cosmique et matière noire

Le rayonnement cosmique galactique (RCG) a été découvert il y a maintenant un siècle. Il s’agit de particules énergétiques, principalement des noyaux ionisés, qui ont été produits et accélérés à des énergies relativistes dans les fronts de chocs associés à des explosions d’étoiles (supernovæ). Ces particules se propagent ensuite dans la Galaxie et notre système solaire. Le flux de particules frappant la partie supérieure de l’atmosphère terrestre est de l’ordre de 1000 particules par m2 et par seconde.

Bien qu’étudié depuis un siècle, le RCG reste un domaine scientifique de grande activité tant d’un point de vue expérimental que théorique. En effet, les questions de son origine et transport restent sans réponses claires. De plus, les composantes rares du RCG peuvent permettre de sonder de la nouvelle physique, via leur production lors de l'annihilation de la matière noire dans notre Galaxie.

Expérience AMS-02

L'expérience AMS a pour objectif l'étude du RCG dans le domaine d'énergie entre quelques centaines de MeV et la région du TeV. C'est un spectromètre, capable de mesurer avec précision l'énergie et d'identifier les particules du RCG, qui a été installé sur la station spatiale internationale (ISS) en mai 2011. L'expérience AMS permet d'étudier avec une grande précision les particules chargées du RCG et de rechercher les composantes rares pouvant signer la présence de matière noire dans la Galaxie. Après près de 8 ans de prise de données, l'expérience AMS a déjà recueilli plus de 100 milliards d'événements. Les travaux de l’équipe s’articulent autour de plusieurs axes :

  • Caractérisation du détecteur AMS à l'aide des données : les données recueillies permettent de mesurer et d’étudier précisément les performances de l’instrument, en particulier du RICH, imageur Cerenkov d’AMS développé au LPSC.
  • Mesure des flux des noyaux du RCG. L’équipe participe activement à l'analyse des noyaux dans AMS. Elle a mis en place une chaîne d'analyse dédiée à la mesure des spectres et à l’estimation des systématiques, contribuant ainsi aux publications des flux des noyaux des charges Z=1 à Z=8. Ces études ont permis d’obtenir une mesure très précise des composantes primaires et secondaires essentielles pour comprendre les processus de propagation du RCG.
  • Mesure des abondances isotopiques du RCG : grâce à la combinaison de la rigidité et de la vitesse fournie par le RICH, on peut mesurer la masse des noyaux, et donc estimer l’abondance isotopique des éléments du RCG. En particulier le rapport 10Be/9Be permet de mesurer le temps de confinement des noyaux dans la Galaxie. Une chaîne d’analyse basée sur des ajustements de patrons (templates) de masse a été mise en place pour la mesure de la composition isotopique des noyaux du RCG de Z=2 à Z=5.

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L'équipe est aussi impliquée dans la collaboration CREAM qui a pour objectif la mesure du RCG entre 1 TeV et 103 TeV ce qui permet d’étendre le domaine d’énergie d’AMS. Après une série de vols en ballon stratosphériques, l’instrument ISS-CREAM a été installé sur la station spatiale internationale en août 2017.

Phénoménologie rayonnement cosmique et matière noire

La détection indirecte de matière noire consiste à rechercher des signaux issus de l’annihilation ou décroissance de celle-ci, en excès par rapport aux prédictions des processus astrophysiques standards. La difficulté principale de ces études est justement la maîtrise des fonds astrophysiques. Dans ce cadre, les données des expériences AMS-02 (particules chargées), Fermi-LAT, H.E.S.S. et bientôt CTA (en γ) ont conduit ces dernières années à des avancées majeures, nécessitant des révisions importantes des modèles utilisés.
L’équipe du LPSC est impliquée depuis de nombreuses années dans la caractérisation des fonds astrophysiques attendus, ainsi que dans l’évaluation des meilleures cibles pour la recherche de matière noire en γ. Elle a développé à cet effet plusieurs codes publics à destination de la communauté :

  • le code USINE (http://lpsc.in2p3.fr/usine), pour la propagation du rayonnement cosmique chargé. Ce code, développé depuis les années 2000, a été rendu public pour la première fois en 2018. Avec ce code, il a été montré que la cassure observée dans le spectre B/C mesuré par AMS-02 trouvait son origine dans un changement de régime de diffusion (publié dans Phys. Rev. Lett.). Il a alors été possible de fournir le classement des sections efficaces nucléaires à mesurer prioritairement, afin de pouvoir tirer le meilleur parti de la précision des données AMS-02 (publié dans PRC, en tant que « Editors’ Suggestion »).
  • le code CLUMPY (http://lpsc.in2p3.fr/clumpy), pour le calcul des flux de g et n issus de la matière noire. Nous avons fourni en 2016, la troisième version publique de CLUMPY. Cette version inclut le signal issu de la distribution de matière noire extragalactique, ce qui nous a permis de réévaluer le signal γ Nous avions auparavant fait un calcul de sensibilité du futur observatoire CTA aux signaux issus de sous-halos de matière noire dans notre Galaxie (Hütten et al., 2016a,b,2018).
  • La base de données du rayonnement cosmique (http://lpsc.in2p3.fr/crdb): cette base de données a été mise en place en 2012, et elle est très utilisée par la communauté (plus de 200 000 requêtes depuis l’été 2014). Depuis 2016, le calcul du paramètre de modulation solaire en temps réel est proposé.

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4. Gravité modifiée : Loop Quantum Gravity

La recherche d’une théorie quantique de la gravitation est une nécessité conceptuelle. Au-delà du désir d’unification, il s’agit d’un impératif logique lié à l’existence de singularités et à la cohérence même de notre description du réel. Après un siècle d’efforts, aucune solution consensuelle ne s’est hélas détachée. La situation est vraisemblablement en train de changer grâce à la connexion qui se dessine enfin entre gravitation quantique et observation. C’est dans cette mouvance que se situe le travail mené au LPSC.

L'équipe a établi que, dans le cadre de la gravitation quantique à boucles appliquée l’Univers primordial, le temps était susceptible de disparaître dans les premiers instants. C’est un phénomène analogue à ce qui avait été postulé par Hartle et Hawking, mais qui intervient ici de façon naturelle et dynamique.
Au-delà de ce processus particulier, les spectres de puissance cosmologique primordiaux ont été calculés afin de contraindre le modèle grâce aux données disponibles (Planck) et de faire des prévisions pour les observations à venir (mode B du rayonnement fossile).
De plus, pour la première fois, l’effet des anisotropies (important dans ce contexte), du potentiel d’auto-interaction du contenu dominant de l’Univers et du choix des conditions initiales a été intégré afin d’étudier génériquement les caractéristiques inflationnaires. Il s’ensuit qu’à la différence de la situation usuelle, le modèle est très explicitement prédictif.
L'équipe a également ouvert l’étude des effets transplanckiens dans ce cadre en montrant la manière dont les prédictions sont sensibles aux relations de dispersions modifiées.
Enfin, en raffinant les approximations afin de se rapprocher de la théorie mère, il a été montré que le scénario du « rebond » pouvait se mêler à une phase stationnaire dont les premiers éléments phénoménologiques sont prometteurs.

En parallèle, des considérations analogues aux trous noirs ont été appliquées et des hypothèses novatrices (caractère local de l’évaporation) qui pourraient permettre de mettre en évidence des effets de gravitation quantique arbitrairement loin de la masse de Planck ont été émises et étudiées.

Enfin, il a également été montré que le scénario – ancré sur des considérations quantitatives – du rebond des trous noirs en trous blancs permettait d’expliquer un certain nombre d’observations astrophysiques encore débattues (sursauts radio rapides, excès de rayons gammas en provenance du centre galactique).

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L’ensemble du travail mené se place dans l’émergence d’une phénoménologie de la gravitation quantique qui entend permettre un premier lien entre théorie et expérience sur cette question cruciale.