Messagers au TeV pour la cosmologie et la physique fondamentale – CosmoTeV

L'observation des sources gamma lointaines permet d'accéder à de puissantes sources, offrant des champs magnétiques importants, de hautes énergies et des distances de propagation très grandes. L'intérêt du projet CosmoTeV réside dans ce que les observations de sources gamma extragalactiques permettent d'aborder quelques sujets clé, tels que:

- transparence de l'univers et axions: Les axions sont des particules prédites dans des extensions du modèle standard expliquant la conservation de la symétrie CP dans les interactions fortes. La présence des axions ou de particules particules de type axions pourrait modifier la profondeur optique des photons au TeV. Un tel scénario pourrait expliquer l'observation de blazars au TeV jusqu'à des décalages spectraux de 0.6.

- champs magnétiques turbulents et axions: La présence de champs magnétiques turbulents dans l'environnement des régions d'émission de photons au TeV peut induire des effets dans les spectres en énergie des sources si des particules de type axions existent. L'observation au TeV de blazars permet de contraindre le couplage des particules de type axion aux photons en recherchant de l'irrégularité dans leurs spectres en énergie.

- champs magnétiques à grande échelle: Les photons au TeV issus de sources lointaines peuvent être détruits en créant des paires par interaction avec le fond de lumière extragalactique. L'observation de blazars au TeV permet de tester la possibilité que ces paires induisent une cascade électromagnétique. Les caractéristiques du développement de ces cascades dépendent du champ magnétique. Ces observations permettent donc de contraindre la valeur des champs magnétiques intergalactiques.

- temps de vol des photons et invariance de Lorentz: Les blazars au TeV présentent des variabilités sur des échelles de temps très courtes, de l'ordre de la minute. Cette caractéristique peut être utilisée pour rechercher des effets de dépendance en énergie de la vitesse de propagation des photons.

Jusqu'à présent les résultats obtenus concernent les recherches de particules de type axion.

- Les données du réseau de télescope HESS ont été utilisées pour contraindre leur couplage aux photons. Des contraintes compétitives ont été obtenues avec l'observation du blazar PKS2155-304 et les résultats ont été publiés dans Physical Review D.

- Une étude phénoménologique a été menée concernant la modification de la transparence de l'univers au rayons gamma en présence de particules de type axions. Une nouvelle observable liée à l'anisotropie de l'anomalie en transparence a été proposée et les perspectives pour le futur réseau de télescopes Tcherenkov CTA ont été étudiées. Ces résultats ont été publiés dans Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Ces deux études ont été présentées en conférences internationales (ICRC 2013 et PATRAS 2013).

- Un article sur la recherche de brisure de l'invariance de Lorentz avec les données de la source PG1553 a été publié dans The Astrophysical Journal

- Une étude portant sur les champs scalaires liés aux théories de gravité modifiée, utilisant des observations de sources extragalactiques de photons de très haute énergie a été publiée dans Physical Review D.

- Un travail de phénoménologie doit être entamé pour estimer les effets observables des cascades extragalactiques et en particulier l'influence des champs magnétiques à grande échelle sur ces observables.

- L'utilisation de données de sursauts gamma pour l'étude de modèles cosmologiques alternatifs (gravité modifiée) est en cours.

- «The 2012 flare of PG 1553+113 seen with H.E.S.S. and Fermi-LAT«, Collaboration H.E.S.S. (corresponding author F. Brun), ApJ 2015

- «Galaxy cluster constraints on the coupling to photons of low-mass scalars«, P. Brax, P. Brun, D. Wouters, accepté pour publication dans Phys. Rev. D, 2015

- «Constraints on axionlike particles with H.E.S.S. from the irregularity of the PKS 2155-304 energy spectrum«, Collaboration HESS, accepté pour publication dans Physical Review D (arXiv:1311.3148)

- «Anisotropy test of the axion-like particle universe opacity problem: a case for the Cherenkov Telescope Array«, Denis Wouters & Pierre Brun, accepté pour publication dans Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (arXiv:1309.6752).

Les sources extragalactiques de rayons gamma au TeV regorgent potentiellement d'informations utiles pour sonder la physique fondamentale. L'objectif de ce projet est de regrouper les compétences nécessaires pour exploiter au mieux ces données. Les axes principaux de la proposition sont l'étude du modèle cosmologique standard la recherche de nouveaux bosons légers (ALPs, axion-like particles) et la contrainte sur l’échelle d’une éventuelle brisure de l'invariance de Lorentz. Dans tous les cas, ce sont des propriétés spécifiques dans les spectres en énergie des sources qui sont recherchées. Les photons au TeV permettent de sonder les propriétés du fond de lumière extragalactique avec lequel ils interagissent. C'est par ce biais que l'étude du modèle cosmologique pourra se faire (métrique, paramètres cosmologiques). La non-observation des effets exotiques (axions et brisure de l'invariance de Lorentz) permettra de poser des contraintes sur les modèles théoriques présentant des ALPs et de poser des bornes inférieures sur l’échelle d’énergie jusqu’à laquelle l’invariance de Lorentz est une symétrie de la Nature. Le groupe de l’IRFU est traditionnellement impliqué dans la recherche de nouvelle physique, et principalement la recherche de matière noire non baryonique. Ce projet vise à étendre son domaine d’activité à d’autres domaines de la physique fondamentale avec les astroparticules. Nous proposons donc de nous associer au groupe Polonais de R. Moderski spécialisé dans la modélisation des émissions conventionnelles, et dont l'étudiante A. Barnacka travaille en cotutelle avec l’IRFU à Saclay. Le Nicolaus Copernicus Center de Varsovie apparait donc comme laboratoire associé, lequel ne recevra aucun financement par l’ANR. Les prédictions sur le spectre et la configuration du champ magnétique dans la source seront alors utilisées pour des prédictions théoriques qui seront confrontées aux données de H.E.S.S., Fermi et H.E.S.S. II, puis utilisées pour estimer la sensibilité du futur observatoire gamma CTA. Une force de ce projet est qu’il vise à regrouper des compétences qui pourront êtres mises à contribution pour d’autres analyses de physique. C’est le regroupement de deux équipes spécialisées respectivement dans la modélisation des processus astrophysiques et la recherche de nouvelle physique avec l’astronomie gamma qui est la clé de la conduite de ce projet. Dans une seconde phase donc, différents sujets sont proposés à l'étude, en particulier contraindre les grandeurs liées à la propagation des photons dans le milieu extragalactique (champs magnétiques reliques de l'inflation, rayons cosmiques d’ultra-haute énergie, lentilles gravitationnelles, etc). D’autres sujets plus originaux pourront être ensuite étudiés en fonction du succès des analyses précédentes, en particulier avec l’étude de sursauts gamma. Il est envisagé d’organiser deux ateliers de travail spécialement dédiés à la recherche de nouveaux phénomènes avec des sources au TeV. Ce projet consiste donc en l’élargissement des thèmes de recherche dans lequel l’équipe de l’IRFU est traditionnellement impliquée. Il est porté par une équipe de jeunes physiciens dont la collaboration sera naturellement pérennisée à la fin du projet avec le démarrage de la génération suivante d’observatoires gamma et la foison de sujets originaux qui découlent de cette étude. Le financement par l’ANR permettra d’engager un post-doc à l’IRFU sur 3 ans, permettant d’accroitre les capacités de travail de l’équipe et dont le porteur prendra la responsabilité. Le financement permettra également de payer des missions, nécessaires à une collaboration efficace entre le laboratoire français et son homologue polonais et la présentation des résultats aux conférences. Il permettra enfin l’organisation des deux ateliers de travail dédiés.