Éditeur de la page web : F. NORTIER

Théorie des 2 Infinis

Responsable : A. DEANDREA

Responsable adjoint : S. HOHENEGGER

Les activités de recherche du pôle « Théorie des 2 infinis » de l’IP2I Lyon couvrent un champ très large de sujets, allant de l’infiniment petit à l’infiniment grand : des propriétés des constituants ultimes de la matière, à des questions reliées aux structures de l’univers à grande échelle. L’objectif ultime est de fournir des modèles théoriques pour expliquer les résultats expérimentaux, ou de faire des prédictions théoriques qui pourraient être testées expérimentalement. Nos activités couvrent les axes de recherche suivants :

• Particules élémentaires
• Hadrons, noyaux et étoiles
• Astroparticules et cosmologie
• Physique formelle
• Interdisciplinaire

Nous développons également des codes publics pour la physique des (astro)particules et la cosmologie.

Quand l’infiniment grand rencontre l’infiniment petit.

Particules élémentaires

La physique des hautes énergies est consacrée à l’étude des interactions fondamentales entre particules élémentaires. La théorie des interactions fondamentales actuellement admise – le Modèle Standard (SM) – s’est montrée extrêmement précise pour décrire les constituants ultimes de la matière mesurables expérimentalement. Il existe pourtant de sérieuses raisons de penser qu’elle ne peut représenter une théorie complète des lois de la nature et nous consacrons une partie de nos recherches à l’étude de différentes théories allant au-delà du SM, dont le but est de décrire cette Nouvelle Physique (NP).

Tableau des particules élémentaires.

Physique du boson de Higgs

Contacts : A. DEANDREA, F.N. MAHMOUDI & F. NORTIER

Le champ de Higgs est à l’origine de la masse des particules élémentaires du SM. La découverte de sa signature principale, le boson de Higgs, nous a donné de nouveaux outils pour étudier la physique de la brisure spontanée de la symétrie électrofaible.

À gauche : Potentiel en « sombrero » du champ de Higgs. À droite : Diagrammes de Feynman des modes de production du boson de Higgs au LHC, et graphique circulaire des rapports d’embranchement (BR) de ses principaux canaux de désintégration.

L’équipe a proposé une nouvelle paramétrisation des couplages du boson de Higgs, ce qui permet d’extraire directement les contributions de boucles de la Nouvelle Physique (NP). Nous avons étendu nos études grâce à l’inclusion d’un second boson de Higgs, et nous collaborons avec CMS pour l’interprétation des résultats de masse faible. Nous travaillons sur la caractérisation du secteur de Higgs supersymétrique et composite, ainsi que sur les perspectives des futurs collisionneurs comme le FCC.

Physique des saveurs

Contact : S. DAVIDSON, A. DEANDREA, L. DARMÉ & F.N. MAHMOUDI

La physique des saveurs est au cœur de nombreux mystères sans réponse dans le SM et est intimement liée au secteur de Higgs via les couplages de Yukawa. Ainsi, résoudre le puzzle de la saveur, c’est chercher à élucider la ou les origines de : la réplication en générations des fermions, leur hiérarchie de masse, la masse des neutrinos, les textures particulières des matrices de mélange des quarks et neutrinos, et l’asymétrie matière-antimatière via la violation de CP.

À gauche : La légende voudrait que Murray Gell-Mann et son étudiant Harald Fritzsch aient eu l’idée de distinguer les quarks par leur « saveur » et leur « couleur » en 1971, alors qu’ils testaient différents parfums de glace. Au centre et à droite : Exemples de diagrammes de Feynman, dits « manchots » (de l’anglais « penguin », bien qu’on trouve souvent la mauvaise traduction française « pingouin » qui correspond à « auk » en anglais), en physique des saveurs dans le SM (au centre) et dans un modèle supersymétrique (à droite).

La physique des saveurs est devenue un secteur émergent pour sonder de nouveaux phénomènes, principalement en raison de l’apparition de plusieurs écarts aux prédictions du SM dans les désintégrations semi-leptoniques des mésons B. Le sujet de l’ANR de F.N. MAHMOUDI se focalise sur les calculs de précision de ces observables, et plus précisément le calcul des effets hadroniques locaux et non-locaux. Cela constitue un important challenge dans le domaine, et un passage nécessaire pour distinguer sans ambiguïté les effets hadroniques du SM de potentiels phénomènes de NP. Nous avons récemment proposé une nouvelle méthode de calcul des facteurs de forme locaux pour réduire les incertitudes théoriques systématiques. Nous travaillons également sur l’interprétation théorique de ces anomalies dans un contexte de NP. Pour cela, nous considérerons des approches en théorie des champs effectives, avec des « fits » multidimensionnels des observables, ainsi que des modèles UV spécifiques (modèles supersymétriques, secteur scalaire étendu, etc). En parallèle, le recrutement de L. DARMÉ nous ouvre à des collaborations sur la phénoménologie de modèles de transfert de saveur, ainsi que leurs contraintes expérimentales. Le retour de S. DAVIDSON nous permet de compléter nos activités par l’étude des contraintes phénoménologiques sur le changement de saveur dans le secteur leptonique, initiant par ailleurs des collaborations avec les théoriciens de physique nucléaire. Enfin, nous travaillons au développement de codes numériques qui permettront d’étudier les implications phénoménologiques des données expérimentales. Notre but est en particulier d’automatiser le calcul des observables de saveur dans tout modèle de NP. Ainsi, le code public SuperIso, pour le calcul des observables de la physique des saveurs, a été considérablement amélioré ces dernières années.

Phénoménologie des collisionneurs

Contacts : L. DARMÉ, A. DEANDREA & F.N. MAHMOUDI

Les collisions de protons à haute énergie continuent de fournir de nouveaux résultats de haute précision dans des régions énergétiques jusqu’ici inexplorées. Ces résultats peuvent être utilisés pour tester des théories au-delà du SM.

Simulation des gerbes de particules subatomiques produites dans le détecteur CMS, lors de la collision de faisceaux protons-protons au CERN LHC.

L’équipe a développé une expertise de niveau international dans la phénoménologie des quarks vectoriels lourds, du Higgs composite, de la supersymétrie, et avons mis au point plusieurs outils numériques pour la détection de telles particules au LHC. Nous avons implémenté des quarks vectoriels avec des couplages génériques dans des outils de Monte Carlo tels que MadGraph, permettant des études indépendantes des modèles. Les effets NLO dans la QCD sont également inclus, et nos outils sont régulièrement utilisés par des collaborations expérimentales, telles que CMS, pour la production de données Monte Carlo. Nous continuons de développer le code public MARTY, dont le but est d’effectuer des calculs automatiques d’amplitudes, de sections efficaces et de coefficients de Wilson dans tout modèle de NP. L’équipe est impliquée dans la préparation scientifique des futurs collisionneurs, notamment les FCC electron-positron et proton-proton, et attend avec impatience le démarrage du HL-LHC.

Extensions du Modèle Standard

Contacts : L. DARMÉ, A. DEANDREA, F.N. MAHMOUDI, F. NORTIER & D. TSIMPIS

Au-delà du puzzle des saveurs, il y a plusieurs motivations pour construire des extensions du SM, comme la matière noire, le problème de hiérarchie électrofaible, le problème CP fort, l’unification des couplages de jauge, la gravité quantique, etc.

Illustration artistique de différents sujets de physique au-delà du SM, représentés par des îles séparées par des mers d’inconnus.

L’équipe a développé une expertise dans différentes classes de modèles : dimensions supplémentaires, modèles composites, supersymétrie, secteurs scalaires étendus, matière noire. Le recrutement de F. NORTIER nous a permis d’acquérir une nouvelle expertise sur les modèles avec mélange UV/IR et non-localité. En ce qui concerne les modèles avec dimensions supplémentaires, nous avons proposé de nouveaux modèles pour les candidats de matière noire issus de symétries géométriques. Nous avons étudié des modèles « d’unification jauge-Higgs », et montré la possibilité d’une unification des couplages de jauge et de Yukawa. Actuellement, nous construisons des modèles phénoménologiques avec des compactifications sur des géométries hyperboliques, telles que les nilvariétés et leurs implications pour les scénarios d’unification jauge-Higgs. En parallèle, nous développons des modèles de grande unification asymptotique, avec des candidats de matière noire appelés « Indalos ». Quant aux modèles de Higgs composite, nous étudions la phénoménologie de nouvelles résonances prédites par ces modèles, et nous avons développé des complétions UV avec des constituants fondamentaux fermioniques. De plus, nous avons étudié les contraintes de saveur sur les modèles composites ou avec des dimensions supplémentaires. Enfin, nous participons au développement du code GAMBIT, dont le but est de réaliser des « fits » globaux pour des scénarios génériques de NP.

N.B. : Page en construction. Mise à jour nécessaire.

Hadrons, noyaux & étoiles

La physique nucléaire et hadronique est l’étude des noyaux atomiques et de leurs constituants : les quarks et les gluons. Certains phénomènes que nous étudions se manifestent à relativement basse énergie, alors que d’autres surviennent dans des milieux extrêmes, comme l’intérieur des étoiles chaudes et denses.

La matière nucléaire : des quarks et gluons aux étoiles à neutrons.

Contacts

• X. ARTRU
• M. BENDER
• G. CHANFRAY
• K. BENNACEUR
• D. DAVESNE
• M. ERICSON
• H. HANSEN
• J. MEYER
• J.-M. RICHARD

Les méthodes de fonctions de densité d’énergie nucléaire

Les activités de la physique des structures nucléaires portent sur la description des phénomènes de basse énergie avec les fonctions de densité d’énergie (EDF). Au cours des dernières années, nous nous sommes concentrés sur trois aspects de ces méthodes : la construction de formes généralisées des EDF et la mise en place de protocoles d’ajustement avancés pour l’ajustement de leurs paramètres ; la construction d’outils numériques pour décrire les états fondamentaux et des couches basses de noyaux complexes, et pour caractériser l’interaction effective ; l’application des paramétrisations et des codes disponibles à des questions d’intérêt expérimental.

Il existe plusieurs motivations, tant phénoménologiques que formelles, pour étudier des formes plus générales de l’EDF. Plusieurs directions sont actuellement explorées. Afin d’améliorer les performances des interactions de contact de type Skyrme, leur généralisation incluant des termes à quatre (N2LO) et six (N3LO) gradients est envisagée. Pour surmonter certains problèmes formels, un nouveau type d’EDF non local basé sur des générateurs à gamme finie a été proposé. De nouveaux développements formels et numériques et des ajustements exploratoires ont été réalisés.

Un deuxième axe majeur de cette activité est le développement d’outils pour étudier les propriétés des noyaux finis complexes. L’un d’eux est un nouveau code de coordonnées cartésiennes 3D pour les calculs de champ moyen autocohérent. Ce code remplace les codes que nous avons développés dans le passé et offre plusieurs améliorations majeures, notamment la précision numérique, une réduction importante du temps de calcul, ainsi qu’une diminution de la nécessité d’ajuster finement les paramètres numériques. Le deuxième outil qui est lui aussi constamment maintenu et amélioré est un code pour les calculs de la méthode de la coordonnée génératrice, basé sur les états du champ moyen projeté du moment angulaire et du nombre de particules.

Une autre activité de notre groupe est liée au développement de Lagrangiens effectifs relativistes. Le premier calcul relativiste de Hartree-Fock-Bogoliubov à température finie a été effectué par notre groupe et appliqué pour comprendre les propriétés d’appariement dans les noyaux finis, telles que la persistance d’appariement ou la réentrée d’appariement, prédites dans les noyaux drip-line de 48Ni et de 48Si. On a également prédit que ce dernier serait un noyau à doubles couches fermées et à doubles bulles.

Interaction neutrino-noyau et physique hadronucléaire

L’une des expertises reconnues de notre groupe concerne l’interface entre le problème du nucléaire à n-corps et la physique de ses constituants. Notre modèle nucléaire pour l’interaction neutrino-noyau, incorpore les interactions np-nh. Cette proposition est désormais reconnue comme une avancée décisive. Nous avons comparé nos résultats à ceux de l' »Approximation de phase aléatoire du continuum » (CRPA), et nous avons testé avec succès notre modèle sur les données MiniBooNE ou T2K.

Nous avons résolu un autre problème en suspens concernant la détermination, dans un événement donné, de la véritable énergie du neutrino à partir des informations fournies par les caractéristiques du lepton émis : son énergie et son angle d’émission. Nous avons introduit la distribution de l’énergie réelle autour de cette valeur reconstituée et montré l’existence d’un déplacement à faible énergie induit par les excitations des multinucléons.

Un autre sujet concerne le couplage entre l’interaction forte du problème à n-corps et la structure des nucléons. Dans une approche chirale incluant la réponse du nucléon au vecteur nucléaire et aux champs scalaires, une EDF a été construite, avec des paramètres contraints par une QCD non perturbative et la phénoménologie des hadrons.

Matière hadronique et plasma quark-gluon

L’une des expertises reconnues de notre groupe concerne l’interface entre le problème du nucléaire à n-corps et la physique de ses constituants. Notre modèle nucléaire pour l’interaction neutrino-noyau, incorpore les interactions np-nh. Cette proposition est désormais reconnue comme une avancée décisive. Nous avons comparé nos résultats à ceux de l' »Approximation de phase aléatoire du continuum » (CRPA), et nous avons testé avec succès notre modèle sur les données MiniBooNE ou T2K.

Nous avons résolu un autre problème en suspens concernant la détermination, dans un événement donné, de la véritable énergie du neutrino à partir des informations fournies par les caractéristiques du lepton émis : son énergie et son angle d’émission. Nous avons introduit la distribution de l’énergie réelle autour de cette valeur reconstituée et montré l’existence d’un déplacement à faible énergie induit par les excitations des multinucléons.

Un autre sujet concerne le couplage entre l’interaction forte du problème à n-corps et la structure des nucléons. Dans une approche chirale incluant la réponse du nucléon au vecteur nucléaire et aux champs scalaires, une EDF a été construite, avec des paramètres contraints par une QCD non perturbative et la phénoménologie des hadrons.

Multiquarks

Nous avons analysé la spectroscopie de modèles inspirés des cordes, et étudié de nouvelles configurations de saveurs pour les tétraquarks, pentaquarks et di-baryons avec des quarks lourds. Nous travaillons actuellement sur les corrélations de quarks lourds.

Systèmes à peu de corps

Nous avons montré que certains modèles d’interaction hyperon-nucléon et hyperon-hyperon permettent l’existence de nouveaux hypernoyaux légers avec une étrangeté S=-2. Nos travaux récents comprennent la première étude d’un atome exotique à trois corps, et un examen des inégalités Hall-Post avec de nouveaux développements et applications.

Nous avons réalisé les premiers diagrammes hypernucléaires en trois dimensions (N,Z,S) basés sur une nouvelle approche fonctionnelle de la densité, et avons étudié la composition de l’étrangeté de ces hypernoyaux.

Oscillations neutron-antineutron

les oscillations neutron-antineutron en 40Ar ont été revisitées, en lien avec les membres de la collaboration DUNE. La distribution spatiale du nuage d’antineutrons autour du noyau de 39Ar et son anéantissement ultérieur ont été estimés et utilisés dans les simulations Monte Carlo pour l’expérience DUNE.

Propriétés des étoiles compactes : équation d’état, émissivité thermique, diffusion des neutrinos

Le noyau interne des étoiles à neutrons peut atteindre des densités élevées où une transition de phase vers des quarks déconfinés peut se produire. Nous avons lancé un programme de recherche ambitieux visant à confronter les observations à un large ensemble d’équations d’état nucléaires, en mettant en place un méta-modèle pour la matière nucléaire inspiré de l’approche EDF.

La diffusion des neutrinos dans les étoiles à neutrons est liée de manière cruciale au spectre des neutrinos observé sur Terre. Nous avons analysé la diffusion cohérente des neutrinos dans la matière non uniforme, afin de clarifier si un effet cohérent pourrait améliorer la diffusion, réduisant ainsi le libre parcours moyen des neutrinos.

Polarimétrie Quark et électromagnétisme

Nous développons un modèle récursif pour la simulation Monte Carlo de la fragmentation d’un quark polarisé, reproduisant l’effet Collins. Une version simplifiée, où seuls des mésons pseudoscalaires sont émis, a été mise en œuvre dans un programme Monte Carlo interfacé avec PYTHIA.  Les simulations sont en accord qualitatif avec les données de COMPASS et BELLE. Dans un programme autonome, des mésons vecteurs ont été inclus. Nous avons trouvé un analogue de l’effet Collins en physique atomique.

Nous avons étudié la lumière créée dans une fibre optique lorsqu’une particule chargée passe à travers ou près de la fibre. Nous avons mis en évidence les propriétés communes du rayonnement synchrotron et de la lumière qui s’échappe d’une fibre optique courbée. Nous participons à la recherche sur les sources de positrons assistées par des rayonnements canalisés.

Activités en cours

Le développement, la mise en œuvre, l’ajustement et la validation de fonctions généralisées de densité d’énergie nucléaire pour l’étude des structures nucléaires seront poursuivis, avec pour objectif à long terme d’élargir leur champ d’application au niveau du champ moyen (et éventuellement au-delà) et d’améliorer leur pouvoir prédictif. Un accent particulier sera mis sur l’amélioration de la description des propriétés des noyaux très lourds et super-lourds, ce qui nécessite notamment un meilleur contrôle des spectres de particules uniques dans les noyaux déformés. Les calculs des rayons de charge, des moments électromagnétiques, des caractéristiques des bandes de rotation et d’autres éléments observables seront utilisés dans l’évaluation des futures expériences qui seront réalisées à l’ISOLDE/CERN, au GANIL et ailleurs.

Notre groupe étudie les liens entre les interactions nucléaires nues, telles que le potentiel d’échange d’un boson de type Bonn, et les Lagrangiens relativistes effectifs développés pour les noyaux finis et la matière uniforme. Notre projet vise à améliorer le potentiel d’échange de boson et à établir un pont entre le potentiel nucléaire nu et les approches effectives utilisées dans les noyaux finis. Le but ultime de notre projet est de déterminer si un nouvel échange Lagrangien de méson, ajusté à la diffusion nucléon-nucléon et complété par des couplages d’interaction off-shell, pourrait combler le fossé entre les systèmes à peu de corps et à n-nucléons. Les applications de ce nouveau modèle à la physique de la croûte de l’étoile à neutrons seront également examinées. Cette approche peut être étendue au secteur étrange, y compris aux interactions avec les hyperons.

Nous poursuivrons et affinerons la construction de modèles généralisés Nambu-Jona-Lasinio incorporant simultanément la rupture de symétrie chirale et le confinement, en utilisant soit la méthode du corrélateur de champ, soit la jauge de Coulomb dans la QCD. L’un des objectifs est d’améliorer le calcul des condensats en utilisant une méthode de type RPA, mais le but principal sera de dériver une théorie effective pour la physique nucléaire ou la matière des étoiles à neutrons, générant à l’échelle microscopique le vecteur nucléaire et les champs scalaires, et la polarisation de milieu des nucléons, à partir des paramètres purs de la QCD (tension de corde et longueur de corrélation).

Une meilleure caractérisation des propriétés des étoiles en fusion peut se traduire par une meilleure connaissance de l’équation d’état de la matière dense, avec des indications potentielles concernant les transitions de phase, ainsi que pour les conditions de la nucléosynthèse des éléments lourds. Nous prévoyons de mettre en œuvre la microphysique de pointe dans une simulation globale pour les fusions d’étoiles à neutrons, initialement fournie par D. Radice.

Parmi les autres activités en cours, citons les travaux sur les hypernoyaux lumineux afin d’inclure les baryons charmés ; l’étude systématique des désintégrations faibles des tétraquarks stables, afin de prédire leur durée de vie et de fournir des indices pour les canaux de découverte ; les modèles de simulation des jets de quarks polarisés et leur polarimétrie : la recherche d’estimateurs effectifs de la polarisation des quarks, et la simulation de « l’intrication de spin » de deux jets en annihilation e+e-.

N.B. : Page en construction. Mise à jour nécessaire.

Astroparticules & cosmologie

Les liens avec la physique des astroparticules et la cosmologie sont d’une grande importance pour comprendre les propriétés de la physique au-delà du SM, en particulier par sa relation avec la matière et l’énergie noires, qui constituent la majeure partie de la composition totale actuelle en énergie de l’Univers observable.

En haut à gauche : Simulation de l’onde gravitationnelle résultant de la fusion de deux trous noirs. En haut à droite : Diagramme circulaire de la composition énergétique actuelle de l’Univers. En bas : Représentation schématique de l’expansion de l’Univers au cours de son histoire cosmologique.

Contacts

• A. ARBEY
• L. DARMÉ
• S. DAVIDSON
• A. DEANDREA
• F.N. MAHMOUDI
• H. HANSEN
• S. HOHENEGGER
• D. TSIMPIS

Matière noire

Les activités de l’équipe sur la matière noire se concentrent sur la recherche de nouvelles particules par détection directe ou indirecte, la densité relique de la matière noire et les liens avec la physique des collisionneurs. Le code SuperIso Relic a été développé afin de fournir un outil de calcul pour différents observables en relation avec la matière noire et la physique des particules. Au départ consacré à la supersymétrie (SuperIso), le code est actuellement développé pour permettre une implémentation flexible et générique de tous les types de scénarios de la physique au-delà du SM. De plus, nous avons étudié les liens avec la cosmologie primordiale, et montré que la découverte de nouvelles particules permettra d’obtenir des informations sur le contenu de l’Univers avant la nucléosynthèse primordiale, malgré le fait que cette ère soit actuellement inobservable. En 2022, le code DarkPACK a été publié : interfacé avec MARTY et SuperIso Relic, il génère automatiquement une librairie numérique d’amplitudes de diffusion dans un modèle donné pour calculer les observables de la matière noire, comme la densité relique.

Cosmologie, trous noirs et ondes gravitationnelles

Nos recherches comprennent la construction de modèles cosmologiques alternatifs, et le développement du code public AlterBBN. Nos études couvrent deux directions : les conséquences de la présence de scalaires cosmologiques, et l’existence de trous noirs primordiaux lors de la nucléosynthèse primordiale. Pour le premier point, nous avons récemment réalisé un modèle composite de l’inflation, en utilisant une construction similaire à celle des modèles de Higgs composite, et nous étudions des réalisations en théorie des cordes de modèles d’énergie noire, comme la quintessence. Le deuxième point nécessite l’étude du rayonnement Hawking des trous noirs de Schwarzschild et de Kerr, et le code BlackHawk, qui est le premier programme permettant un calcul automatique du rayonnement Hawking des trous noirs de Schwarzschild et de Kerr. Il nous permet de poursuivre les études dans le domaine de la cosmologie, en particulier pour les trous noirs primordiaux, et de la physique des astroparticules, avec la conception d’une nouvelle analyse pour observer le rayonnement Hawking avec des expériences de physique des astroparticules. Combiné avec le code AlterBBN, il nous permet également d’étudier l’impact des trous noirs primordiaux ou des champs scalaires cosmologiques sur la nucléosynthèse du Big-Bang.

Nous avons aussi développé une approche de théorie effective pour inclure des corrections quantiques à la géométrie classique de Schwarzschild, et nous avons étudié l’impact théorique de dimensions supplémentaires et de la « conjecture de gravité faible » sur les modes quasi-normaux des trous noirs.

Les trous noirs sont également étudiés dans le contexte des ondes gravitationnelles et de la possibilité de signatures gravitationnelles particulières dans certains modèles exotiques (par exemple les étoiles boson) ou de théories gravitationnelles alternatives (LQG, théories de l’échelle des tenseurs, etc.).

La détection des ondes gravitationnelles a fourni la première contrainte d’observation ferme sur le rayon des étoiles à neutrons, grâce à la déformabilité de la marée mesurée pendant les dernières orbites de la phase de fusion « inspiral ». Nous avons constaté que les calculs modernes basés sur la physique nucléaire de l’équation d’état de la matière dense riche en neutrons prédisent des rayons compatibles, mais plus restrictifs que celui de GW170817. Nous avons également déterminé comment des contraintes améliorées provenant d’observations futures peuvent apporter de nouvelles connaissances sur la matière dense et les transitions de phase possibles dans le noyau neutron-étoiles.

Activités en cours

Nous prévoyons de produire des simulations de kilonovae avec un apport nucléaire de pointe. Cela nous permettra d’étudier les signaux multi-messagers émis par les kilonovas, tels que les OG. Nous disposerons également d’un nouvel outil pour étudier l’émission continue d’OG par les étoiles à neutrons. Ces calculs constituent un cadre parfait pour une collaboration étroite avec les groupes VIRGO et Cosmologie Observationnelle à l’IP2I. La modélisation du processus-r de nucléosynthèse existant dans la matière éjectée offre une possibilité de lien avec l’expertise des théoriciens nucléaires et des expérimentateurs nucléaires de l’IP2I. Les questions liées à la matière dense permettent également un décloisonnement entre la physique nucléaire et la physique des hadrons. Plus globalement, la modélisation des kilonovas et, peut-être dans le futur, des supernovae à effondrement de cœur, pourrait animer un programme de recherche actif dans le laboratoire, incluant également la physique des astroparticules et la cosmologie.

N.B. : Les sections marquées d’un astérisque nécessitent une mise à jour.

Physique formelle

Le problème d’une complétion UV à la gravité quantique a motivé le développement de la théorie des cordes. La recherche d’une formulation non-perturbative, la « Théorie M », est toujours un domaine de recherche actif de nos jours.  Cependant, les applications récentes de la théorie des cordes dépassent largement son cadre originel. Elles sont à l’origine de nombreux résultats formels en théorie des champs, qui ont permis des percées importantes pour comprendre les interactions fortement couplées dans des théories « jouets » supersymétriques, comme avec la correspondance AdS/CFT ou encore la dualité électrique-magnétique. La théorie des cordes a également stimulé l’étude de théories des champs non-locales et/ou non-commutatives.

Superespace, corrections d’ordre supérieur et condensats fermioniques*

Contact : D. TSIMPIS

L’action effective de la M-théorie/théorie des cordes admet une tour infinie de corrections dérivées, jouant un rôle crucial dans des domaines tels que les trous noirs, la cosmologie et la dualité AdS/CFT. Nous avons appliqué des méthodes de superespace pour contraindre la forme des invariants de la M-théorie. Les outils développés ont été utilisés afin de déterminer les termes de fermion quartique de la supergravité IIA et leur impact sur la recherche de solutions de Sitter.

Compactification de flux, NATD et troncatures cohérentes*

Contact : D. TSIMPIS

La compactification de flux (FC) désigne la configuration la plus générale dans laquelle les différents champs de tenseurs de la théorie des cordes sont activés, ce qui permet de résoudre le « problème des modules ». Nous avons utilisé la géométrie généralisée et les G-structures pour découvrir certaines périodicités et caractéristiques générales des fonds de FC. Ces outils ont également été utilisés pour faire la lumière sur la T-dualité non abélienne, et pour construire des troncatures cohérentes admettant des solutions de Sitter.

Les petites cordes et la U-dualité*

Contact : S. HOHENEGGER

Les théories des petites cordes sont une catégorie de théories quantiques complètes, non locales et ultraviolettes, en interaction, en six dimensions (ou moins). Une grande partie de ces théories n’ont pas de description lagrangienne et sont donc notoirement difficiles à décrire avec les seules méthodes de la théorie des champs. Cependant, leur lien avec la théorie des cordes nous fournit de nombreuses approches et outils nouveaux qui permettent d’analyser les aspects non perturbatifs de ces théories. Dans une série de travaux, nous avons montré que diverses incarnations de la U-dualité des cordes conduisent à des dualités et des symétries remarquables entre ces théories de jauge, qui sont intrinsèquement de nature non-perturbatrice. Ces symétries nous permettent une meilleure compréhension des théories de jauge, ainsi que la construction de nouvelles théories. Nous poursuivrons cette approche, en nous concentrant en particulier sur les dualités non perturbatives entre des théories ayant un contenu de matière et de jauge différents.

Monodromies dans des amplitudes de cordes à une boucle*

Contact : S. HOHENEGGER

Les amplitudes de diffusion au niveau des arbres à N points dans la théorie des cordes ouvertes sont décrites comme des fonctions de corrélation sur le disque de la feuille d’univers. Il est possible d’établir des relations de monodromie qui ont été déterminantes dans l’étude (et la solution) des amplitudes de diffusion des cordes au niveau des arbres. Une généralisation de ces relations aux amplitudes à une boucle a été effectuée, donnant de nouvelles relations entre les amplitudes de diffusion des chaînes à une boucle.

Les théories de compactification toroïdale de la supergravité vers des dimensions inférieures révèle la présence de symétries exceptionnelles, qui ne peuvent être expliquées par la géométrie riemannienne de la variété interne seule (ou toute autre symétrie « conventionnelle » au sein même de SUGRA). Ce sont des vestiges de la théorie de la U-dualité U des cordes (ou M-théorie), qui font allusion à des structures plus complexes à des échelles d’énergie plus élevées. Comme ces symétries exceptionnelles sont difficiles à expliquer dans le cadre des théories standard de la SUGRA, on a tenté d’étendre les versions à dimensions plus élevées de ces dernières de manière à rendre l’apparition des symétries exceptionnelles manifeste lors de la compactification. Les théories qui en résultent sont appelées théories exceptionnelles des champs. L’idée de base derrière ces constructions est un espace-temps étendu, qui permet une réalisation géométrique du groupe de la U-dualité. Nous explorons différentes possibilités pour formuler les théories de supergravité (3,1) et (4,0) dans le cadre des théories exceptionnelles de champ.

Modèles de théorie des champs dans des espaces ordinaires et non commutatifs*

Contacts : F. GIERES & S. HOHENEGGER

Nous avons fourni une procédure d’amélioration pour construire un tenseur de jauge-invariant, symétrique en énergie-momentum. Nous avons généralisé les équations de Wong à l’espace non-commutatif et déterminé les propriétés du tenseur énergie-momentum des champs de jauge couplés à la matière. Nous avons étudié des modèles théoriques de champs sur des espaces déformés et obtenu des lois de conservation locales ainsi que des équations d’équilibre pour les champs en interaction sur ces espaces.

Théories des champs non-localisables

Contact : F. NORTIER

Les théories des champs non-localisables ont connu un regain d’activité ces 15 dernières années, notamment pour résoudre le problème de complétion UV de la gravité ou le problème de la hiérarchie électrofaible. Lorsque la non-localité est introduite via des facteurs de forme dans le lagrangien classique, une tour infinie de fantômes d’Ostrogradsky apparaît en général lors de la brisure spontanée d’une symétrie. Nous avons récemment développé un nouveau formalisme où les facteurs de forme sont introduits via un produit-étoile covariant entre les champs qui évite cet écueil. Nous travaillons actuellement à relier ces théories aux complétions UV par classicalisation, exhibant un mélange UV/IR via le phénomène d’écrantage de Vainshtein.

N.B. : Page en construction.

Interdisciplinaire

Groupe de renormalisation et épidémiologie

Contact : S. HOHENEGGER

Épidémiologie : une science interdisciplinaire.

De la physique aux neurosciences

Contact : A. ARBEY

Vue d’artiste de connexions neuronales.

Codes publics

Contacts : A. ARBEY & F.N. MAHMOUDI

Les outils numériques sont de nos jours indispensables à la communauté de la physique des 2 infinis. Les équipes de physique théorique de l’IP2I Lyon sont particulièrement impliquées dans le développement de codes publics pour la phénoménologie, avec une reconnaissance internationale en la matière.

SuperIso (2007)

Lien : http://superiso.in2p3.fr

Auteure : F.N. MAHMOUDI

Description : Code public destiné au calcul d’observables de physique de la saveur dans le Modèle Standard et dans des modèles de nouvelle physique.

SuperIso Relic (2009)

Lien : http://superiso.in2p3.fr/relic

Auteur.e.s : F.N. MAHMOUDI, A. ARBEY & G. ROBBINS

Description : SuperIso Relic est une extension de SuperIso pour le calcul de la densité relique de matière noire et des observables de détection directe et indirecte de matière noire. Une particularité de SuperIso Relic est, qu’en plus du modèle standard cosmologique, il permet le calcul de la densité relique dans des scénarios cosmologiques alternatifs, permettant ainsi de tester l’influence des hypothèses cosmologiques.

AlterBBN (2012)

Lien : https://alterbbn.hepforge.org/

Auteurs : A. ARBEY, J. AUFFINGER, K. HICKERSON & E. JENSSEN

Description: AlterBBN est un programme C qui calcule les abondances des éléments prédits par la nucléosynthèse du Big Bang (BBN). Différents scénarios cosmologiques sont implémentés dans AlterBBN, ce qui peut modifier les prédictions de la BBN. ​​De plus, AlterBBN est inclus dans le package SuperIso Relic, afin que les modèles alternatifs puissent être testés à l’aide de contraintes BBN.

GAMBIT (2017)

Lien : https://gambitbsm.org

Collaboration : La collaboration GAMBIT est constituée de plus de 70 experts internationaux. F.N. MAHMOUDI est la coordinatrice de la partie physique des saveurs (FlavBit) et membre du bureau de la collaboration.

Description : GAMBIT est un code d’ajustement global pour les théories génériques au-delà du modèle standard, conçu pour permettre une définition rapide et facile de nouveaux modèles, observables, vraisemblances et scanners, et pour soutenir facilement de nouveaux codes de physique.

BlackHawk (2019)

Lien : https://blackhawk.hepforge.org/

Auteurs : A. ARBEY & J. AUFFINGER

Description : BlackHawk est un programme public en C permettant de calculer les spectres d’évaporation de Hawking de n’importe quelle distribution de trous noirs. Ce programme permet aux utilisateurs de calculer les spectres primaires et secondaires de particules stables ou à longue durée de vie générées par le rayonnement de Hawking de la distribution des trous noirs, et d’étudier leur évolution dans le temps.

MARTY (2020)

Lien : https://marty.in2p3.fr

Auteur.e.s : G. UHLRICH, F.N. MAHMOUDI & A. ARBEY

Description : Le but de MARTY est d’effectuer des calculs automatiques d’amplitudes, de sections efficaces et de coefficients de Wilson dans tout modèle de nouvelle physique. Certains de ses avantages sont que MARTY est écrit entièrement en C++, ne repose pas sur un code privé tel que Wolfram Mathematica, et contient son propre module de calcul symbolique (CSL), qui peut être utilisé séparément.

DarkPACK (2022)

Lien : https://gitlab.in2p3.fr/darkpack/darkpack-public

Auteur.e.s : M. PALMIOTTO, A. ARBEY & F.N. MAHMOUDI

Description : DarkPACK génère automatiquement une librairie numérique d’amplitudes de diffusion dans un modèle donné pour calculer les observables de la matière noire, telle que la densité relique. DarkPACK est actuellement interfacé avec MARTY et SuperIso Relic.

Financements ANR

FlavBSM (2021)

Titre complet : La route des saveurs : du Modèle Standard à la Nouvelle Physique

Coordinatrice : Farvah Nazila MAHMOUDI

Durée : 60 mois

Lien : https://anr.fr/Projet-ANR-21-CE31-0002

Description :

En dépit de ses indiscutables succès, les limites du Modèle Standard (MS) de la physique des particules sont bien connues, et il est maintenant communément accepté dans la communauté de physique des particules qu’aller au-delà du MS est une nécessité. La recherche de physique au-delà du MS a débuté dans les années 1970, mais aucun signal de Nouvelle Physique (NP) n’est apparu jusqu’à présent. Récemment, des déviations cohérentes par rapport aux prédictions du MS ont été observées en physique des saveurs. Ces déviations dans les désintégrations des mésons B, communément nommées « anomalies de saveur », se sont amplifiées avec temps, à la fois en termes de signification statistique qu’en termes d’accord interne. Nous pourrions donc être à l’aube de la découverte de la NP.

Le projet FlavBSM vise à comprendre l’origine des déviations et déterminer le modèle de NP sous-jacent. Cet objectif pourra être atteint en suivant trois axes de recherche complémentaires.

Le premier axe concerne des calculs de précision dans les désintégrations exclusives semi-leptoniques du B, et plus précisément le calcul des effets hadroniques non-locaux. Cela constitue un important challenge dans le domaine, et un passage nécessaire pour distinguer sans ambiguïté les effets hadroniques du MS de phénomènes de NP.

Le second axe concerne la mise au point et l’étude de modèles de NP. Pour cela, nous ne considérerons pas seulement des approches en théorie des champ effectives, mais aussi des modèles simplifiés, sur la base desquels pour mettrons finalement au point et étudierons des modèles de NP « complets » et bien motivés, étendant ainsi le domaine de validité des modèles bien au-delà des précédentes descriptions effectives.

Le troisième axe est consacré à du développement logiciel qui permettra d’étudier les implications phénoménologiques des données de saveur. Notre but est en particulier d’automatiser le calcul des observables de saveur dans tout modèle de NP, et nous seront amenés à créer de nouveaux outils et techniques pour réaliser des analyses statistiques et explorer les espaces des paramètres des modèles de NP, en utilisant simultanément les contraintes des différents secteurs de la physique des particules. De premiers pas dans cette direction ont déjà été pris avec succès par la coordinatrice.

Ce projet propose au final un programme complet pour étudier la question des anomalies de saveur en toute généralité. Comprendre l’origine des anomalies de saveur est extrêmement important pour une compréhension plus approfondie des interactions fondamentales. La détermination de la théorie de nouvelle physique sous-jacente constituera une avancée majeure en physique des particules, donnant des directions pour la découverte de nouvelles particules. De plus, le projet fournira de nouvelles techniques, de nouveaux calculs et de des outils informatiques publics à la communauté qui lui seront utiles, indépendamment des anomalies de saveur.

NEWFUN (2019)

Titre complet : Nouvelle fonctionnelle de la densité d’énergie pour les noyaux lourds

Coordinateur : Michael BENDER

Durée : 36 mois

Lien : https://anr.fr/Projet-ANR-19-CE31-0015

Description :

Ce projet vise à une amélioration de la description théorique et à une interprétation cohérente des données expérimentales des noyaux lourds et super lourds ayant un numéro atomique supérieur à 82 et un nombre de neutrons au-delà de 126. Ces systèmes auto-liés, dont la plupart ne doivent leur existence qu’à des effets quantiques de couches, manifestent une très riche phénoménologie de modes d’excitations et de décroissance gouvernés par la compétition entre l’interaction nucléaire forte, l’interaction coulombienne, les effets de surface et les effets quantiques de couches liés aux états de particules individuelles. Les données expérimentales disponibles commencent à en révéler une image cohérente en terme de couches et de déformation qui n’est néanmoins, jusqu’à présent, par décrite de manière satisfaisante par des modèles purement microscopiques. Le principal problème ayant été identifié, et qui est actuellement inhérent à toutes les formes d’interactions effectives, concerne les distances entre les états de particules individuelles au voisinage de l’énergie de Fermi. Bien que les évolutions globales des observables n’en soient pas affectées, la description des propriétés individuelles de noyaux spécifiques est dans de nombreux cas défaillante.

Le but de notre projet est d’atteindre un niveau de précision sans précédent pour la description théorique des noyaux lourds et super lourds grâce à l’ajustement d’interactions effectives contenant de nouveaux termes dérivatifs jusqu’à présent non considérés. L’ajustement des paramètres incorporera des informations pertinentes concernant les propriétés de noyaux lourds et s’accompagnera d’une analyse des incertitudes statistiques de ces paramètres. Les interactions effectives obtenues seront dans un second temps utilisées dans des calculs auto-cohérents et sans contraintes de symétrie pour un large ensemble d’observables d’intérêt faisant l’objet d’études par des méthodes de spectroscopie gamma sur faisceau, spectroscopie par conversion d’électrons, spectroscopie par décroissance après implantation d’ions et par spectroscopie laser.

Globalement, nous considérons que ce projet représentera une contribution déterminante aux études théoriques et expérimentales des éléments les plus lourds et permettra d’étendre notre compréhension de ces systèmes.

Prix & distinctions

Médailles du CNRS

Argent

2021 : Michael BENDER

Institut Universitaire de France (IUF)

Membres senior

2023 : Farvah Nazila MAHMOUDI

2013 : Aldo DEANDREA

Membres junior

2016 : Alexandre ARBEY

2014 : Farvah Nazila MAHMOUDI

Autres prix et distinctions

Chevalière de la Légion d’honneur (2015) : Magda ERICSON

Prix Thibaud (Académie des sciences, belles lettres et arts de Lyon, 1993) : Guy CHANFRAY

Prix Gay-Lussac Humboldt (1992) : Magda ERICSON

Prix Paul Marguerite de la Charlonie (Académie des sciences française, 1987) : Magda ERICSON

Chevalière de l’ordre des Palmes académiques (1978) : Magda ERICSON