Missions prioritaires

PORTÉE SCIENTIFIQUE ET CONTENU DU PROJET POUR LA PROCHAINE PÉRIODE DE FINANCEMENT

Pour la prochaine période de financement, P2IO poursuivra sur la voie qui a contribué à son succès tout en renouvelant les priorités scientifiques afin de prendre en compte les thèmes émergents et de renforcer encore la collaboration entre les partenaires, dans le but de renforcer la position d'UPSaclay à l'avant-garde de la recherche internationale. L'objectif de P2IO est de pouvoir répondre aux questions fondamentales sur notre Univers, à travers l'intensification des trois lignes directrices qui sous-tendent  l'action du Labex*.

  • "Explorer " : soutien aux initiatives innovantes
  • "Transformer " : favoriser l'émergence d'une collaboration entre les membres, créer des plates-formes communes
  • "Structurer" : la gouvernance sert de point de contact entre les membres et  départements de l'Université Paris-Saclay.

L'ensemble de ces actions s'articulent en particulier autour de 4 thèmes scientifiques, 3 technologiques et 2 interdisciplinaires.


La découverte cruciale du boson de Higgs au LHC a permis de confirmer et de compléter le cadre du modèle standard (SM) de la physique des particules. Dans les années à venir, les études expérimentales se concentreront sur trois secteurs clés, nécessaires pour répondre aux nombreuses questions encore ouvertes soulevées par le SM. - La frontière des hautes énergies. ATLAS et CMS poursuivront la recherche de nouvelles particules ainsi que la mesure plus précise des couplages de Higgs et du secteur électrofaible. Après la phase de haute luminosité, une nouvelle phase est à l'étude avec des projets ambitieux comme le HE-LHC (centre d'énergie de masse de 33 TeV) ainsi que de nouveaux collisionneurs (ILC, FCC). - La frontière de la haute luminosité, avec la recherche d'éventuels écarts par rapport à la SM dans le secteur des arômes (quarks b et c) par les expériences LHC-B et Belle-II. - La physique Neutrino, qui ouvre la voie à l'étude d'une nouvelle source de violation de la PP dans le secteur lepton (un élément crucial pour expliquer l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers). La nouvelle phase de l'expérience T2K est un premier pas dans cette direction. Les nouveaux projets d'expériences de longue durée en construction (DUNE) ou en préparation (Hyper-Kamiokande) permettront d'étudier avec précision la matrice de mélange des neutrinos. Plusieurs expériences de recherche d'une double désintégration bêta sans neutrinol sont en cours et les expériences futures dans ce secteur nécessitent des développements technologiques importants. Deux propositions phares ont été soumises, relatives à la participation à Hyper-Kamiokande et au développement de bolomètres scintillants.

 

Au cours de la dernière décennie, ce domaine s'est métamorphosé. Les paramètres cosmologiques ont été mesurés avec peu de précision par millilitre, grâce à la cartographie nette du CMB par Planck et des oscillations baryoniques par BOSS. Les projets de cosmologie de la prochaine génération exploiteront la lentille faible (Euclide, LSST), et la recherche de modes B de polarisation CMB se fera à la fois du sol et de l'espace. Les ondes gravitationnelles observées par LIGO et VIRGO ont ouvert un brillant portail à l'observation de phénomènes violents tels que la fusion du trou noir, la collision des étoiles à neutrons, la nucléosynthèse des baryons lourds en kilonovae. Nos laboratoires continuent d'intervenir dans ce domaine en participant à de grands projets tels que LISA. Le Labex est un endroit naturel pour aider à coordonner les observations de tous les produits susceptibles d'être liés à l'émission d'ondes gravitationnelles, aux photons de haute et de basse énergie, aux neutrinos, aux rayons cosmiques chargés. Une proposition de projet phare appartient à ce domaine. En particulier, la détection des rayons gamma et cosmiques, dans laquelle certains de nos laboratoires ont joué un rôle de pionnier, sont des contreparties essentielles dans les observations multi-messagers. Le réseau au sol du CTA a reçu le soutien explicite de notre Labex (par le biais du projet Canevas Emblematic). P2IO est également impliqué dans des projets spatiaux pour ces 5 prochaines années (Fermi extended operations, SVOM...).

 

Les projets de collisionneurs d'électrons et de protons ou d'ions (LHeC au CERN et à l'US EIC) visent à répondre à de nombreuses questions clés allant du nucléaire à la physique des particules. Cela inclut l'obtention de la tomographie tridimensionnelle complète du contenu interne des hadrons, en termes de leurs degrés de liberté de quark et de gluon. Les effets collectifs des ions lourds, qui se produisent déjà à des énergies plutôt modérées, devraient permettre de trouver des preuves quantitatives de la saturation de la densité gluonique, ainsi que des études détaillées sur la façon dont les quarks et les gluons se propagent dans la matière nucléaire et se rejoignent pour former des hadrons. Les équipes P2IO sont leaders dans ces projets, couvrant tous les aspects (théorie, phénoménologie, installations de détection, cibles, accélérateurs), et ont le potentiel de renforcer les relations déjà très fortes existant entre les différents groupes expérimentaux et théoriques de P2IO. La physique nucléaire à basse énergie vise à expliquer la complexité des propriétés nucléaires, l'origine des éléments chimiques et les limites de la stabilité nucléaire. De nouveaux résultats expérimentaux à partir de noyaux exotiques combinés à des développements théoriques utilisant des théories de terrain efficaces respectant les symétries du QCD combinés à des théories modernes à corps multiples feront progresser rapidement le domaine au cours de la prochaine décennie. Avec ses laboratoires membres à la pointe de tous ces sujets et leur fédération au sein du projet Terra Incognita, P2IO jouera un rôle de premier plan dans les futures infrastructures européennes pour la recherche nucléaire.

 

L'étude de la comète Tchouri avec la sonde Rosetta est un exemple spectaculaire de l'excellence des équipes P2IO dans le domaine de l'exploration du système solaire. Cette exploration continuera d'être très active avec la mission spatiale BepiColombo pour l'exploration du mercure, la mission JUICE pour l'exploration de Jupiter et de ses satellites, le programme d'exploration de Mars et la mission Solar Orbiter pour étudier l'activité solaire. Nous continuerons à recueillir et à analyser des échantillons extraterrestres prélevés sur Terre et à mener des expériences en laboratoire pour mieux comprendre les divers processus physiques au travail. Parallèlement, des simulations numériques utilisant des ordinateurs massivement parallèles seront développées au meilleur niveau international, comme la modélisation magnéto-hydrodynamique du Soleil, la modélisation des interactions Soleil-planète. Le système solaire sera contextualisé par l'étude des systèmes stellaires qui se développent fortement sur de multiples fronts : observationnel (Kepler/K2, TESS) et mission JWST - 2021), développement instrumental pour des missions spatiales (Platon - 2026, et ARIEL - 2028), réduction de données complexes, modélisation des étoiles, des atmosphères exoplanètes et interactions étoiles-planètes.

 

La construction de la prochaine génération d'accélérateurs de particules à haute intensité, de collisionneurs à haute luminosité, de sources lumineuses avancées ou d'accélérateurs laser-plasma requiert des technologies et des concepts novateurs, en particulier en ce qui concerne les aimants supraconducteurs à très haut champ, les cavités d'accélération à gradient élevé, l'accélération laser-plasma et le contrôle des faisceaux extrêmes. Elle comprend, par exemple, la maîtrise de nouveaux matériaux supraconducteurs à température critique élevée, l'innovation en cryogénie pour limiter l'utilisation de l'hélium et dans les systèmes RF haute fiabilité et haute performance. L'utilisation de lasers à haute puissance qui frappent directement la matière ou par excitation d'ondes plasma est une technologie ambitieuse et prometteuse qui pourrait permettre de produire des systèmes compacts. P2IO est impliqué dans plusieurs projets situés à Paris-Saclay : LUNEX-5 5ème génération de source laser à électrons libres, accélération laser APOLLON multi-PW, complexe accélérateur PERLE à base d'un linac de récupération d'énergie (ERL) pour diverses applications, source compacte de neutrons haute intensité SONATE. Plusieurs de ces projets sont réalisés en collaboration avec les équipes du PALM Labex ou du département PHOM. La mise à niveau ou la création de plates-formes technologiques dédiées sera nécessaire pour développer ces technologies, construire des prototypes et les caractériser.

 

Le perfectionnement des techniques de détection et le développement de systèmes de détection spécifiques par les laboratoires P2IO permettront de répondre aux besoins des équipes expérimentales menant des projets clés dans nos domaines. Il s'agit notamment de recherches sur la matière noire, de recherches sur la nature des neutrinos, de tests de précision du modèle standard, d'études des phénomènes cataclysmiques dans l'Univers par le biais de mesures de rayons gamma de haute énergie avec le futur observatoire du CTA, ainsi que d'expériences sur des collisionneurs de haute énergie comme le CERN ou EIC, ou de nouvelles installations comme PERLE. Les principaux défis consisteront à améliorer la réponse du détecteur dans les environnements à taux de comptage et luminosité élevés, à réduire les arrière-plans et les seuils de détection, ainsi qu'à augmenter la résolution, la plage dynamique et l'efficacité des systèmes de détection souvent situés dans des environnements difficiles (rayonnement, basse température...). Parmi les développements possibles figurent l'exploration de nouveaux matériaux de détection, l'amélioration des techniques de discrimination de la forme des impulsions ainsi que la R&D sur l'électronique associée, dans le but de fournir une technologie de détection viable pour les installations expérimentales de la prochaine génération. Le succès de ce programme nécessite une étroite collaboration entre les équipes impliquées dès les premières étapes, y compris l'intégration mécanique, l'électronique et le traitement des données. Parallèlement, nous appliquerons ces développements aux plates-formes techniques telles que SCALP, ALTO, ANDROMEDE ou Virtual Data, ainsi qu'à des accords de collaboration avec l'industrie.

 

P2IO a apporté son soutien au développement et à la gestion d'infrastructures informatiques communes : salles informatiques et centres de données à accès partagé, solutions logicielles innovantes de stockage et de sauvegarde de fichiers distribués. En ce qui concerne les applications en physique, un soutien a également été apporté à l'architecture avancée et à la R-D algorithmique pour exploiter le parallélisme dans la sélection et l'analyse des données. Au cours de la prochaine phase, P2IO encouragera et soutiendra les efforts émergents dans les laboratoires pour résoudre les défis informatiques à venir du traitement des données et de la simulation dans notre communauté scientifique : - Le défi du calcul intensif : Le traitement et la simulation de grands ensembles de données physiques, allant des événements complexes des détecteurs aux images des télescopes, nécessitent des ressources informatiques considérables et des architectures avancées. Notamment, la simulation en astrophysique bénéficiera des infrastructures de supercalcul à l'échelle exa à venir. Un parallélisme efficace et une architecture efficace sont deux aspects clés pour faire correspondre les processeurs en évolution rapide avec le flux de travail physique de manière automatique et durable, pour produire des piles de logiciels et des pipelines de données destinés à vivre pendant plusieurs décennies. - Le grand défi des données : Du côté des E/S, l'explosion récente du volume de données enregistrées ou simulées par les expériences pose de nouveaux défis en matière de stockage de données et de localisation. De nouveaux outils inspirés des approches " grandes données " doivent être développés. Du côté algorithmique, les approches d'intelligence artificielle se sont avérées très efficaces pour la résolution de gros problèmes de données, et pourraient jouer un rôle croissant dans nos paradigmes de physique expérimentale et théorique. Les méthodes d'apprentissage machine en profondeur sont une avenue prometteuse est cette perspective, le fondement de nombreux efforts de R&D dans notre communauté. P2IO est impliqué dans cette recherche, bénéficiant des liens étroits avec la communauté scientifique des données, en particulier le UPSaclay Center for Data Science, un centre de recherche interdisciplinaire de l'UPSaclay.

 

Les équipes P2IO impliquées dans la recherche liée à l'énergie nucléaire travaillent principalement dans les domaines scientifiques suivants : physique nucléaire, radiochimie, science des matériaux, modélisation, simulation numérique, simulation expérimentale, instrumentation, conception et expertise des accélérateurs et des aimants. L'objectif principal de ces équipes est de poursuivre le développement de la recherche sur l'énergie nucléaire (c'est-à-dire la fission mais aussi la fusion) grâce à des logiciels de transport des rayonnements pour la physique du cœur des réacteurs, la radioprotection et le blindage, l'instrumentation nucléaire ou le développement et la simulation expérimentale avec des accélérateurs ioniques de la tolérance des matériaux à utiliser dans les réacteurs à fission et fusion. Ces études portent sur l'avenir de la production d'électricité, du recyclage et de la gestion des déchets, ainsi que sur l'évolution du mix énergétique, dans le cadre de la stratégie de transition énergétique de la France. Les résultats de ces recherches profiteront aux domaines de la physique des réacteurs, des structures nucléaires (données nucléaires) et de la physique des matériaux, et mèneront également à des développements techniques (comme l'amélioration des sources neutroniques ou de l'instrumentation) et à des développements en simulation numérique associés au calcul haute performance. Un objectif important pour la prochaine phase est d'améliorer l'intégration de l'énergie nucléaire dans le débat mondial sur l'énergie au sein de Paris-Saclay et d'accroître la synergie entre la recherche sur l'énergie nucléaire et les thèmes plus fondamentaux du P2IO, en particulier la physique nucléaire.

 

L'axe santé du P2IO Labex s'organise autour de deux thèmes fédérateurs : l'imagerie et la radiothérapie. La vision partagée est de proposer de nouvelles approches instrumentales et méthodologiques afin d'améliorer l'exploration et la compréhension de la vie, mais aussi d'accéder à un diagnostic précoce et à un traitement plus personnalisé des patients, notamment en cancérologie et neurosciences. Les laboratoires de P2IO disposent d'une forte expertise pour jouer un rôle majeur dans les domaines des sciences de la vie et de la santé en proposant de nouvelles approches innovantes. En imagerie, cela pourrait inclure le défi de l'imagerie TEP sans reconstruction qui exige de repousser les limites des scanners TEP à temps de vol en développant des systèmes de détection gamma à très haute résolution temporelle. En radiothérapie, ces compétences peuvent également être utilisées pour proposer de nouveaux paradigmes thérapeutiques en combinant des approches multiparticulaires avec des modalités d'irradiation originales (mini-faisceaux, très hauts débits de dose, nanoparticules...) afin de multiplier l'efficacité biologique et balistique des faisceaux de rayonnement. Ces projets fédérateurs interdisciplinaires peuvent bénéficier d'un environnement collaboratif local stimulant et stimulant (Institut Curie, CPO, SHFJ, DOSEO, IRSN, IRS Nanotherad et BME de Paris-Saclay, Neurospin, MIRCEN) et de la complémentarité des plateformes instrumentales avancées (THOMX, PRAE, PIMPA, ANDROMEDE).

 

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#22 - Mise à jour : 16/06/2020

 

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