Physique des rayons cosmiques : Les études entreprises sur les rayons cosmiques galactiques s’inscrivent dans une longue tradition au LPSC. Elles sont organisées au laboratoire au sein de deux équipes de recherche : AMS-CREAM d’une part et AUGER d’autre part. La première équipe étudie les rayons cosmiques de haute énergie, qui proviennent principalement de la galaxie. Les recherches visent à la compréhension des processus de production et de propagation des rayons cosmiques, et à l’étude de certaines de ses composantes permettant par exemple de sonder la présence de matière noire dans la galaxie via les particules produites dans leur annihilation. L’objectif d’AMS-02 (installé depuis mai 2011 sur la station spatiale internationale) est la mesure « définitive » de la composition du RC d’énergie entre la centaine de MeV et le TeV. Le LPSC a été impliqué dans la conception et la construction de l’imageur Cerenkov. Le groupe a fourni une mesure indépendante (de l'analyse standard) de la fraction de positrons en utilisant le RICH à basse énergie et joue un rôle moteur pour les mesures des flux de protons et d’hélium dans AMS. Son objectif est la mesure entre 1 TeV et 1 PeV. L'analyse des mesures prises lors des vols nous a permis de reconstruire les flux des noyaux B, C, N, O et du rapport B/C dans le rayonnement cosmique. Les expériences AMS et CREAM permettent de couvrir des gammes complémentaires en énergie.

AUGER est une expérience qui permet l’accès aux rayons cosmiques de ultra-haute énergie au-delà du PeV via l’étude des gerbes résultant de l’interaction des primaires avec les couches de l’atmosphère. L’équipe s’est investie plus particulièrement dans la mesure de flux des neutrinos de ultra-haute énergie, apportant des contraintes sur les mécanismes de production des rayons cosmiques (neutrinos cosmogoniques ou GZK, …) ainsi que dans l’étude et la modélisation des interactions hadroniques. Enfin, le groupe a conduit des R&D sur la détection radio des gerbes atmosphériques du MHz au GHz (AREA, EASIER), comme alternative ou complément possible aux observations par les détecteurs au sol (cuves Cerenkov et détecteur de fluorescence). Il s’oriente maintenant vers la détermination de la nature des primaires dans le cadre d’un upgrade des détecteurs au sein duquel le laboratoire prend une part active sur l’électronique.

En soutien à ces recherches expérimentales s’est développée une activité de phénoménologie sur les modèles de propagation des rayons cosmiques et l’interprétation des catalogues de sources X en termes de profil de matière noire, qui bénéficie à l’ensemble de ces projets.

Cosmologie observationnelle: Le projet LSST est un télescope qui permettra dès 2021 de dresser une carte 3D de l'Univers avec une profondeur et une précision inégalées. Le formidable catalogue de plusieurs milliards de galaxies lointaines observées par le télescope permettra une étude sans précédent de notre Univers et fournira des informations capitales en cosmologie. L'étude des oscillations baryoniques, par exemple, permettra de mieux comprendre l'énergie noire qui représente 70% de la densité d'énergie de notre Univers. L’équipe LSST du LPSC est impliquée dans la reconstruction des redshifts photométriques des galaxies, qui constituent un élément crucial de l’analyse du télescope. Elle endosse également la responsabilité instrumentale de la mise en place d’un banc d’étalonnage de la caméra (CCOB) et de la construction du chargeur de filtres de cette dernière (mécanique, électronique).  

Etude du Fond diffus cosmologique : Le groupe PLANCK/NIKA du LPSC a été fortement impliquée dans la construction de l’instrument HFI de PLANCK et son électronique d’acquisition. Son implication lui a permis de jouer un rôle majeur dans l’analyse et l’interprétation des données ayant conduit à la publication des cartes en différentes fréquences. Les activités d’analyse du groupe ont porté sur les études d’effet de lentille gravitationnelle, l’étude des émissions d’avant-plans et des biais systématiques liées à la polarisation du CMB. Les publications de Planck feront date et ont jeté une lumière nouvelle sur l’univers primordial et permis de contraindre fortement les modèles cosmologiques. Le futur de l'étude du Fond Diffus Cosmologique dans le domaine millimétrique passe par des matrices de détecteurs afin de pouvoir augmenter la sensibilité des instruments pour la mesure des modes B en polarisation, et atteindre une haute résolution angulaire pour une étude détaillée des amas de galaxies par effet SZ et de l'époque de ré-ionisation de l’univers. Dans ce cadre, les caméras à base de Kinetic Inductance Detectors (KIDs) peuvent jouer un rôle majeur et l’équipe s’investit depuis quelques années dans les R&D liés au développement de cette technologie et de sa spatialisation, en vue du futur satellite CMB qui pourrait faire l’objet d’une mission de type M de l’ESA d’ici 2030. Dans l’intervalle, l’équipe s’est consacrée à la construction de l’électronique complète d’une matrice de KIDs utilisée sur le télescope de l’IRAM. Ce projet qui a vu la construction et l’exploitation d’une caméra bi-bande (140 et 240 GHz) de matrices de KIDs (5000 détecteurs) permet des observations en intensité et en polarisation dans le domaine millimétrique au télescope de l’IRAM. L’équipe a pris le leadership dans la conduite du programme NIKA2 sur l’étude des grandes structures par effet SZ d’une campagne qui débutera en 2016 pour une période de 5 années.

Détection directe de matière noire : L’équipe MIMAC du laboratoire est impliqué depuis 10 ans dans le développement d’une méthode de détection innovante de matière noire, mettant à profit le mouvement du système solaire autour du centre galactique à travers le halo de matière noire. Il s’agit du développement d’une TPC très basse pression qui permet la reconstruction à la fois de l’énergie et de la direction des reculs nucléaires mis en jeu lors de l’interaction du candidat matière noire avec le milieu gazeux du détecteur. L’équipe a conçu et réalisé plusieurs prototypes de ce détecteur (mécanique, électronique) et a démontré avec un succès remarqué le principe de détection, la reconstruction de la trace et de l’énergie mise en jeu, ainsi que la portée des contraintes dans l’interprétation phénoménologique des résultats. Cette équipe se structure en une collaboration étendue à l’international en vue de préparer un démonstrateur de 1m³, 1^ère étape indispensable vers une expérience de plus grande dimension.

Physique des neutrinos : En 2011, la révélation d’un biais dans les calculs de flux des anti-neutrinos de réacteur a déclenché la ré-analyse d’expériences à courte distance (10-100 m) de réacteurs. Le résultat est un déficit moyen de 7% des neutrinos détectés par rapport aux nouvelles prédictions. Cette « anomalie des neutrinos de réacteur » pourrait s’expliquer par l'existence d'un nouvel état du neutrino, dit stérile. Si elle est avérée, l’existence de cette particule serait une découverte majeure, avec un impact fort dans la physique des particules et la cosmologie. STEREO propose une mesure de précision à 10 m du cœur compact du réacteur de recherche de l’ILL qui est installé depuis septembre 2016. L’équipe du LPSC a la responsabilité de la simulation de l’expérience, de l’ensemble de l’électronique et de l’acquisition de données, du détecteur veto de muon cosmiques et du système de calibration par injection de lumière

Physique des réacteurs : La thématique portant sur les réacteurs nucléaires est portée par le groupe le plus important, en termes d’effectifs, au LPSC. Les activités de ce groupe s’effectuent dans le cadre de la Mission Interdisciplinaire (MI) du CNRS et dans le cadre des programmes européens. Elles se distribuent autour de trois grands types de systèmes aux objectifs stratégiques distincts : les réacteurs pilotés par accélérateurs (ADS), envisagés pour la transmutation de certains déchets nucléaires actuels ; les réacteurs à combustibles solides pour les réacteurs des technologies à eau actuels (REP,CANDU), destinés à assurer la transition vers une nouvelle génération de réacteurs en utilisant possiblement un nouveau cycle Thorium en alternative au cycle Uranium traditionnellement utilisé ; enfin les réacteurs à combustible liquide (MSFR), de technologie innovante et représentant un des six candidats étudiés pour la 4eme génération de réacteurs inscrits au forum international GEN IV. Ces derniers types de réacteurs prévoient l’utilisation d’un nouveau combustible basé sur le cycle Thorium-Uranium-233. Les activités du groupe s’appuient sur le développement d’outils de simulation, de modélisation des réacteurs et sur des études de scénarios de déploiement des parcs correspondants. Les validations expérimentales reposent sur la mesure des données nucléaires et physico-chimiques associées à ces systèmes. Au laboratoire, ces activités s’effectuent sur la plateforme neutronique GENEPI2 et sur la plateforme de chimie nucléaire FFFER. La composition du groupe, formé au 2/3 par des enseignants chercheurs (Grenoble INP et UGA) permet d’assurer un lien très étroit et bénéfique avec le milieu académique.

Physique des Applications médicales : L’équipe de physique des applications médicales a connu une restructuration significative ces dernières années. Elle s’organise aujourd’hui selon trois projets scientifiques : le premier concerne le développement et la réalisation d’un profileur de faisceaux utilisé dans le cadre de séance de radio-thérapie-X. Le prototype final est en cours de validation et cette activité donnera lieu à une valorisation dans les années à venir. Le deuxième axe concerne le développement d’une activité sur l’Accelerator Based Neutron Capture Thérapie (ABNCT), technique basée sur l’utilisation d’un faisceau de neutrons (épi-)thermiques intense irradiant des molécules Borées ou des nanoparticules métalliques injectées au préalable dans le patient. Fixées sur les cellules tumorales, elles jouent le rôle d’amplification de doses délivrée au niveau local. Au laboratoire, le projet s’intéresse aux points clefs de cette technique que sont la conception de cibles destinées à la production du faisceau de neutrons de haute intensité, et la mesure précise du flux de neutrons en sortie de l’appareillage cible et du modérateur. Le troisième axe concerne le développement d’un moniteur de faisceaux pour la hadron-thérapie, basé sur une la technologie diamant (polycristallin) dont les propriétés permettent la réalisation d’un détecteur rapide et résistant aux radiations. Ces trois axes s’inscrivent dans le cadre du GDR MI2B et plus généralement dans le cadre des activités soutenues par le labex PRIMES. Ils bénéficient du transfert d ‘expertises de personnes d’autres équipes qui travaillent en lien étroit sur ces projets avec l’équipe des applications en physique médicale.

Accélérateurs et source d’ions : Le pôle accélérateurs et source d’ions constitue un atout majeur du LPSC et bénéficie d’une très grande visibilité. Connecté étroitement aux grands projets de l’IN2P3, ses activités sont effectuées dans le cadre de collaboration avec des laboratoires du milieu grenoblois (LNCMI, Néel, ILL), et ont donné lieu à des aspects de valorisation déclinés en termes d’expertise ou de livraison de réalisations de haute technologie et de savoir faire. L’équipe a une forte contribution aussi bien à la phase 1 qu’à la phase 2 de SPIRAL2. Pour la phase 1, le service assure la responsabilité de la conception, la construction et les tests de sources d’ions multichargés de haute intensité. Une des expertises du laboratoire concerne en effet le développement des sources d’ions à Résonance Cyclotronique Electronique (ECR). Le LPSC a pris en charge la construction et les tests de la ligne de basse énergie ions lourds, en collaboration avec le GANIL, l’IRFU (CEA) et l’IPHC. Pour la phase 2, le service assure la conception, construction et tests du booster de charge (multi-ionisation des ions radioactifs en vue de leur accélération). Le développement des sources d’ions ECR bénéficie également d’un programme de R&D (60 GHz). Les équipes sources d’ions et accélérateurs sont impliquées dans le projet SPIRAL2, pour lequel il a eu la responsabilité de la conception et la réalisation des coupleurs de puissance pour les cavités RF supraconductrices. En parallèle, le groupe s’est impliqué fortement dans la thématique des générateurs de neutrons pulsés intenses, dans le cadre des activités du groupe des réacteurs nucléaire. C’est notamment un des acteurs majeurs du projet GUINEVERE pour la parte accélération et couplage de ce type de sources de neutrons à un réacteur (VENUS), dans le cadre de recherche sur les réacteurs pilotés par accélérateur. Enfin, l’équipe continue à développer des compétences sur les futurs injecteurs de protons non pulsés de haute intensité dans le cadre du programme MYRRHA.

Plasma et matériaux : Les thèmes de recherche se situent dans le domaine du plasma et des technologies associées, allant de l’étude fondamentale jusqu’au transfert industriel. Il s’agit essentiellement des plasmas haute fréquence (de 352 MHz à 2,45 GHz) couvrant un domaine en pression allant de la très basse pression (plasmas magnétisés) jusqu’à la dizaine de Torr (plasmas non-magnétisés). Du point de vue fondamental, les travaux de recherche portent sur l’interaction et le couplage de l’onde électromagnétique avec le plasma, les mécanismes de production sélective d’espèces chargées ou chimiquement actives, l’interaction du plasma avec la surface. En ce qui concerne les aspects technologiques et applicatifs, il s’agit, d’une part, du développement des nouvelles générations de sources plasma pour des applications spécifiques et capables de répondre à des exigences industrielles (procédés qui requièrent uniformité sur grandes surfaces et/ou grande vitesse) et, d’autre part, du développement des procédés de synthèse des matériaux fonctionnels innovants. Bien que fortement enchevêtrées, ces activités peuvent être groupées en trois axes de recherche : Physique et ingénierie des sources plasma ; Procédés pour l’énergie ; Procédés pour détecteurs.