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Les thèmes de recherche du pôle Astroparticules, Astrophysique et Cosmologie (A2C) visent à approfondir notre compréhension de l’Univers. Ils couvrent des sujets variés : de l’origine du système solaire à celle des éléments chimiques, des phénomènes les plus violents au sein de notre galaxie et dans l’Univers extragalactique associés aux trous noirs et aux explosions d’étoiles, à la nature de l’énergie noire, de la matière noire, et des neutrinos, de l’étude de l’Univers primordial, sa formation et son évolution à la nature de la gravitation. Ces recherches se font au sein de collaborations internationales, sur la base d’observations effectuées avec de grands instruments et de grandes infrastructures: observatoires astronomiques au sol, grands laboratoires souterrains, bases polaires, expériences embarquées en ballon stratosphérique et missions spatiales.

Les équipes de recherche du pôle sont fortement impliquées dans la détection et la compréhension des ondes gravitationnelles (LIGO, Virgo), la détection et la recherche de l’origine des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie (Observatoire Pierre Auger), ainsi que l’observation du ciel en rayons X ou gamma dans une gamme d’énergie des photons comprise entre le keV et le GeV (SVOM, projet ASTROGAM) jusqu’à plusieurs centaines de TeV (CTA). Ces recherches offrent un moyen privilégié d’étude des phénomènes énergétiques dans l’Univers : explosions stellaires, coalescence d’objets compacts (étoiles à neutrons, trous noirs) en systèmes binaires, éjection de matière de noyaux actifs de galaxie, annihilation d’antimatière, etc. Les équipes participent pleinement au développement actuel de l’astronomie multi-messagers et multi-longueurs d’onde.

En cosmologie, qui vise à étudier l’origine, la nature, la structure et l’évolution de l’Univers, il y a deux axes majeurs de recherche du pôle. Un premier thème consiste à  étudier les composantes sombres de l’Univers – l’énergie noire et la matière noire – à travers l’observation des grandes structures, grâce aux relevés optiques (LSST), et en radio, à 21 cm (BAORadio). Le deuxième thème s’intéresse à la compréhension de l’Univers primordial, sa phase d’inflation et son évolution, à travers la recherche des ondes gravitationnelles primordiales via les mesures du fond  diffus cosmologique aux grandes et aux petites échelles (Planck, LiteBIRD, et Simons Observatory).  Les équipes sont, entre autres, fortement impliquées dans l’interprétation de ces données pour caractériser les neutrinos (masse, nombre de famille et hiérarchie).

Concernant les neutrinos et la matière noire, les études basées sur des observations du ciel et de l’Univers sont renforcées par des activités dédiées à la compréhension de leur nature. La recherche bolométrique de la double désintégration beta dans l’expérience CUPID permettra d’apporter des informations cruciales sur la nature de cette particule, en investiguant si le neutrino est le seul fermion à être égal à sa propre antiparticule. L’utilisation de bolomètres dans le pôle est aussi à la base d’une future expérience de détection de diffusion cohérente de neutrinos (RICOCHET) et de la recherche directe de la matière noire à basse masse (EDELWEISS). Les équipes du pôle sont également engagées sur des projets de recherche directe de matière noire permettant d’aller sonder des domaines de masse plus élevés, en s’appuyant sur des chambres à projection temporelle biphasées (XENON) et en utilisant des CCD en tant que détecteurs innovants de particules (DAMIC).

Les activités du pôle comprennent également des recherches sur la matière primitive du système solaire afin de préciser le contexte astrophysique de formation du système solaire, et de mieux comprendre l’origine des premières phases minérales et organiques, héritées du milieu interstellaire ou synthétisées dans le disque protoplanétaire.

Dans tous ces aspects les activités des équipes du pole A2C couvrent à la fois de la R&D et des contributions techniques aux projets (détecteurs gamma, bolomètre cryogénique et CDD, techniques de squeezing sur Virgo, électronique numérique pour le 21cm…), l’intégration et la calibration des instruments, et ce, jusqu’à l’analyse et l’interprétation scientifique des données.  La complémentarité de ces champs disciplinaires permet au pôle A2C d’IJCLab de jouer un rôle majeur dans la compréhension des phénomènes physiques à l’œuvre dans l’Univers.