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Les thèmes de recherche principaux du Pôle Théorie sont la physique nucléaire, la physique des particules, la cosmologie, la mécanique statistique et la physique mathématique.

Le groupe de physique nucléaire étudie différents aspects des comportements nucléaire, depuis les caractéristiques des baryons isolés jusqu’aux comportements collectifs de la matière nucléaire.

Les travaux du groupe de physique des particules portent sur les interactions fondamentales des constituants élémentaires de la matière, décrites par le Modèle Standard, ainsi que sur la physique au-delà du Modèle Standard, en relation avec les programmes expérimentaux actuels et à venir.

Le groupe de physique statistique s’intéresse aux systèmes composés d’un très grand nombre de composantes (ou « degrés de liberté »). Ils étudient spécifiquement les systèmes composés de particules chargées avec ou sans retardation, les systèmes physiques hors d’équilibre, les processus de réaction-diffusion, les systèmes granulaires, la géométrie aléatoire, les réseaux complexes et différents phénomènes de trafic (routier, piétonnier, intra-cellulaire).

Le groupe de physique mathématique étudie d’une part des méthodes algébriques et géométriques dans des domaines variés allant de la géométrie non commutative à la théorie quantique des champs, d’autre part l’analyse classique et l’analyse fonctionnelle en mécanique quantique et en théorie des champs.

Le groupe de cosmologie et gravitation travaille en particulier sur la gravitation en présence de dimensions supplémentaires, ainsi que sur les conditions initiales dans l’univers primordial et leur effet sur les structures galactiques.