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Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE) - UMR 7585

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Coordination du pôle énergie, matière et Univers :

- Maryvonne Gerin
- Pascal Vincent
- Bernard Perrin
- Thibaud Coradin
- Stéphane Carniato

Energie, matière et Univers

  • 1050 enseignants-chercheurs et chercheurs
  • 590 personnels d'appui à la recherche
  • 700 doctorants
  • 35 unités de recherche
  • 7 écoles doctorales

Laboratoire de physique nucléaire et de hautes energies (LPNHE) - UMR 7585

Le LPNHE est une unité mixte de recherche (UMR 7585) de l’Institut National de Physique Nucléaire et de Physique de Particules (IN2P3), institut du CNRS et des universités Pierre et Marie Curie et Paris Diderot.

Il est constitué de 15 équipes de recherche, 3 services techniques (informatique, électronique, mécanique), et 2 services de support (administration, logistique).

Le laboratoire est engagé dans plusieurs grands programmes expérimentaux, poursuivis dans le cadre de collaborations internationales auprès de très grandes infrastructures de recherche du monde entier, centres d’accélérateurs de particules et observatoires.

Dans cette page

Activités de recherche

Ces programmes couvrent les enjeux actuels de la physique des particules, des astroparticules, et de la cosmologie :


Origine des masses et des familles de particules, recherche du boson de Higgs, unification des interactions fondamentales, recherche de la supersymétrie, dimensions supplémentaires de l’espace-temps : thèmes abordés par les expériences CDF et D0 auprès du Tevatron à Fermilab, et par l’expérience ATLAS auprès du Large Hadron Collider au CERN, et enjeux d’un futur collisionneur e+e- pour lequel le LPNHE est engagé dans un développement de détecteurs en silicium.

Asymétrie matière-antimatière dans l’univers : sujet principal des expériences BaBaR au Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), de LHCb au CERN et du projet en préparation SuperB en Italie.

Propriétés des neutrinos : participation à l’expérience Tokaï To Kamiokande (T2K) au Japon.

Contenu énergétique de l’univers, matière noire et énergie noire : le groupe Cosmologie du LPNHE joue un rôle déterminant dans Supernovae Legacy Survey (SNLS) auprès du Canadian French Hawaï Telescope et dans le programme Supernovae Factory (SNF) auprès du télescope UH 2.2m, et est engagé dans la préparation des projets futurs « Supernova Acceleration Probe » (SNAP/JDEM), EUCLID et Large Synoptic Survey Telescope (LSST).

Origine des rayons cosmiques de très haute énergie : rayons gamma au TeV pour l’observatoire HESS en Namibie, et rayons cosmiques d’ultra haute énergie (10**18 eV) pour l’observatoire AUGER en Argentine.

Depuis la conception des expériences, en passant par l’étude et la réalisation des instruments de détection, la mise au point des systèmes de détection, d’acquisition et de réduction des données, la calibration et le monitorage des détecteurs pendant les longues périodes de prise de données, l’analyse et l’interprétation physique des mesures, pour enfin aboutir aux publications, c’est sur plusieurs années, parfois plus de dix ans, que s’étale le travail des équipes qui réunissent et développent des compétences extrêmement diversifiées en physique, électronique, informatique ou mécanique. Les théoriciens du LPNHE constituent une petite composante qui enrichit la vie scientifique du laboratoire. Le laboratoire est membre de la Fédération de Recherche sur les Interactions Fondamentales (FRIF).

Mots-clés

astroparticules, cosmologie, physique des particules, physique théorique, instrumentation, électronique, mécanique, informatique, grille de calcul

Equipes et thématiques de recherche
  • PHYSIQUE DES PARTICULES Frontière en énergie * Expériences ATLAS au LHC (CERN) et Expériences CDF et D0 (Fermilab), R&D en vue du Super LHC * R&D pour un Futur collisionneur linéaire 
  • PHYSIQUE DES SAVEURS * Violation de symétrie CP : BaBar (SLAC) et LHCb au LHC (CERN), Projet SuperB en Italie * Étude des neutrinos : T2K au Japon
  • ASTROPARTICULES Rayons cosmiques de hautes énergies * Photons de hautes énergies dans l’Univers : HESS 1 et 2, CTA * Étude des rayons cosmiques aux énergies extrêmes : Observatoire Auger
  • Cosmologie * Programme Supernovæ : SNF, SNLS et projets SNAP/JDEM, EUCLID et LSST
  • Theorie * QCD, approches phénomemologiques, évolution des grandes structures dans l’univers
Projets en cours

Dans les deux années à venir, en physique des particules, la recherche du boson de Higgs auprès du Tevatron (D0), va se poursuive de façon intensive et restera une priorité de la discipline. Avec le démarrage du LHC, le domaine connaît un nouvel élan avec la grande diversité des recherches qui peuvent être poursuivies. Corrélativement il faut assurer le fonctionnement nominal de la grille de calcul Île-de France, qui restera ouverte à d’autres disciplines. Les résultats qui seront obtenus au LHC seront déterminants pour décider des grandes orientations futures. On peut anticiper qu’il sera important d’accroître les performances de la machine (luminosité) – projet SLHC- et d’adapter les détecteurs en conséquence. Le LPNHE devrait participer à la mise à niveau du détecteur central d’ATLAS. Parallèlement, la R&D en vue d’un détecteur auprès d’un collisionneur e+e- de très haute énergie se poursuivra. L’étude des désintégrations des mésons B dans l’expérience Babar touche à sa fin et l’expérience LHCb prend maintenant le relais. Le LPNHE regarde attentivement les projets de machines à B intenses du type SuperB en Italie. L’expérience T2K au Japon a observé ses premiers neutrinos et prendra des données pendant plusieurs années.

En physique des astroparticules, le cinquième très grand télescope central de l’observatoire Hess va bientôt être mis en fonctionnement et permettra l’étude de rayons gamma sur une gamme en énergie plus étendue et avec une meilleure sensibilité. Le LPNHE participe à l’étude d’un grand projet mondial de mise en réseaux de plusieurs dizaines de télescopes à rayonnement Tcherenkov (projet CTA, Cerenkov Telescope Array, inscrit sur la feuille de route de l’ESFRI), projet motivé par les succès déjà obtenus par la phase 1 de HESS qui montrent les nombreuses perspectives scientifiques d’un tel réseau pour la poursuite et l’extension des recherches en astronomie gamma de haute énergie. La recherche des sources de rayons cosmiques d’ultra-hautes énergies auprès de l’observatoire Auger se poursuit, ainsi qu’une mesure affinée du spectre et l’étude de la composition de ces rayons cosmiques.

En cosmologie, les projets SNLS et SNF produisent des résultats importants et la précision sur la mesure des paramètres cosmologiques devrait être sensiblement améliorée notamment grâce à l’analyse des données de SNF. Le LPNHE engage à présent des efforts vers un projet de cosmologie observationnelle au sol (Large Synoptic Survey Telescope) avec un champ d’investigation plus large (distorsions gravitationnelles, distribution à grande échelle des galaxies…) et continue les études scientifiques en vue d’une expérience spatiale (SNAP/JDEM au Etats-Unis et EUCLID en Europe).

Avancées scientifiques, résultats marquants

Physique des particules
Les mesures précises des propriétés du quark top (masse, production dans les collisions p-p de haute énergie, désintégrations), de la masse du boson vecteur W, et la recherche directe du boson de Higgs ont apporté des contraintes fortes sur les modèles théoriques, et particulièrement sur la masse et la section efficace de production du boson de Higgs. Ces études se poursuivent avec les détecteurs D0 et CDF.
L’étude des mésons B s’est développée grâce aux excellentes performances des accélérateurs à SLAC et à Fermilab. Après l’établissement de la violation de la symétrie CP (matière-antimatière) avec les mésons B, la recherche d’effets imprévus dans le Modèle Standard s’est poursuivie avec l’étude de désintégrations très rares des B, la mesure de la fréquence des oscillations des Bs, et l’exploration de l’asymétrie matière-antimatière dans les désintégrations sans charme des mésons Bd. La matrice de mélange des quarks est à présent très fortement surcontrainte, ce qui apporte des limitations aux extensions possibles du modèle standard. La très grande quantité de données a aussi permis la découverte de nouvelles résonances qui restent à interpréter.
Le démarrage de la prise de données de l’expérience ATLAS marque une transition dans la vie du groupe qui se lance aujourd’hui dans l’analyse des données du LHC.

Astroparticules

L’observatoire HESS en Namibie prend des données avec ses quatre grands télescopes depuis 2004. Les sources de rayons gamma qui ont déjà été détectées multiplient par un facteur de plus de trois le nombre de sources de rayons gamma de haute énergie ( TeV) qui avaient été précédemment identifiées. Avec l’accumulation d’une grande statistique et la haute résolution des caméras, l’astronomie gamma de haute énergie entre dans une nouvelle ère. Mentionnons quelques faits saillants : forte indication du mécanisme d’accélération des rayons cosmiques par l’explosion de supernovae, obtention d’une limite basse sur le fond d’émission infrarouge par l’étude de blazars lointains, détection de la première source périodique au TeV, observation de la morphologie de multiples objets astrophysiques… En parallèle et dès 2003, les études pour la caméra d’un cinquième très grand télescope (Hess phase 2) ont été engagées. La construction de la caméra est maintenant pratiquement achevée.  Le LPNHE a été maître d’oeuvre de l’électronique de cette caméra.
Le déploiement de l’observatoire Pierre Auger est maintenant pratiquement achevé. L’observatoire est devenu le lieu privilégié pour tenter d’élucider l’origine des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie (au-delà de 1018 eV). Les données accumulées ont apporté un résultat majeur sur le spectre des rayons cosmiques : ce spectre reproduit la coupure GZK (prédite en 1966 par Greisen, Zatsepin et Kusmin) à 1020 eV, un horizon fondamental que les données d’une expérience précédente semblaient dépasser. Une forte corrélation entre les directions des rayons cosmiques d’ultra haute énergie et les positions de noyaux actifs de galaxie a été observée. Des limites importantes ont été mises sur la composition des rayons cosmiques en photons et neutrinos réduisant ainsi fortement les modèles de production exotique.

Cosmologie
Le laboratoire est moteur dans le programme international d’observation des supernovae pour la cosmologie. L’objectif scientifique principal de contraindre les paramètres cosmologiques, plus précisément d’obtenir des indications précises sur la nature de l’énergie noire. Les observations faites auprès du CFHT avec la caméra Megacam (Supernovae Legacy Survey) offrent déjà une mesure significative de l’équation d’état de l’énergie noire. Le modèle de concordance de cosmologie avec 70 % d’énergie noire, 27 % de matière noire et 3 % de matière baryonique permet d’accommoder les résultats d’observations très diverses : fluctuations du fonds diffus cosmologique, distribution des galaxies à grande échelle, et diagramme de Hubble (distance de luminosité versus décalage vers le rouge) des supernovae de type Ia auquel le laboratoire a fortement contribué. L’exploitation du spectrographe intégral de champ (SNIFS) sur un télescope à Hawaï se termine et a permis une étude systématique des propriétés des supernovae proches (programme Supernovae Factory) afin de conforter leur rôle de chandelle standard.

Ecoles doctorales
  • ED 517 – Particules, Noyaux et Cosmos
  • ED 389 - Physique de la particule au solide
  • ED 107 - Physique de la Région Parisienne
  • ED 127 - Astronomie et Astrophysique d’Ile de France

Partenariats scientifiques
Locaux

L’ensemble des activités de recherche du LPNHE s’exerce dans le cadre de partenariats scientifiques. Le laboratoire a pour tutelle CNRS l’Institut National de Physique des Particules et de Physique Nucléaire (IN2P3). Il est engagé dans plusieurs grands programmes expérimentaux, exécutés dans le cadre de collaborations internationales auprès de très grandes infrastructures de recherche du monde entier, centres d’accélérateurs de particules et observatoires.

Localement, le LPNHE est membre de la Fédération de Recherche Interactions Fondamentales (FRIF).

Nationaux

GIS Physique des 2 Infinis (P2I)

Internationaux

Le LPNHE est impliqué dans plusieurs programmes européens et internationaux :

EUDET, AUGER ACCESS, HELEN, Laboratoires Européens Associés (ELGA), Laboratoire Internationaux Associés (FCPPL, FJPPL, FKPPL, ILPPC), …

Partenariats industriels

Le Laboratoire contribue au GIS (Groupe d’Intérêt Scientifique) « Sources et accélérateurs » conclu entre le CNRS et la société Thalès Electron Device, dont le but est de créer des liens forts entre un fabricant français de sources et cavités et l’organisme de recherche qui les utilise. Un autre GIS a été conclu avec Photonis (HESS). Enfin, un accord signé par l’IN2P3 avec HPK (Hamamatsu Photonics), pour le LPNHE concerne la R&D en microélectronique pour le lecteur de détecteurs en silicium.

Principaux équipements

Les grands projets dans lesquels le LPNHE est impliqué sont réalisés par plusieurs laboratoires qui se répartissent les responsabilités en fonction de leurs moyens et compétences techniques. Les services techniques jouent donc aussi un rôle important dans la visibilité et la production du laboratoire. L’acquisition d’équipements de pointe est une nécessité pour répondre au cahier des charges de plus en plus exigeant des projets scientifiques. Les principales réalisations techniques ont concerné les projets ATLAS (électronique de contrôle), HESS phase 2 (caméra et acquisition), SNF (mécanique, logiciels de lecture de l’instrument), SNAP (R&D lecture détecteurs CCD et infrarouge), AUGER (système central d’acquisition), LLRF (électronique de contrôle bas niveau de cavités accélératrices), LSST (mécanique, eléctronque de lecture CCD). À noter aussi la R&D en mécanique et en électronique pour le développement de détecteurs à trace en silicium dans la perspective d’un futur collisionneur linéaire, ainsi que le développement d’un système de calibration photométrique pour les futurs grands projets de télescopes pour la cosmologie. Outre les laboratoires d'électronique et les salles propres, les principaux éléments sont :

  • en électronique : une machine à pointes permettant les tests de circuits électroniques et un analyseur-générateur logique,
  • en mécanique : un tour numérique, un système de positionnement et de collage de précision, une machine de mesure tridimensionnelle, une centrale d’usinage numérique,
  • en informatique : le laboratoire héberge un noeud de la grille de calcul Ile-de-France.
Coordonnées
Coordonnées
Directeur
PAIN Reynald
01 44 27 48 36
reynald.pain@upmc.fr
Adresse physique
Campus de Jussieu
Barre 12-22 1er étage
4 place Jussieu
75252 Paris cedex 05

Courriel du laboratoire
Site web
http://www-lpnhep.in2p3.fr/
Adresse postale
4 place Jussieu
75252 Paris cedex 05

Contact communication
COSSIN Isabelle
01 44 27 68 95
cossin@lpnhep.in2p3.fr
Contact administratif
MEPHANE Evelyne
01 44 27 63 17
emephane@admin.in2p3.fr


Effectifs
Enseignants-chercheurs :
27

Chercheurs :
26

Personnels d'appui à la recherche :
52

Post-doctorants :
15

Doctorants :
21

Surface :
4400 m²



19/11/13