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Détermination de la masse des neutrinos cosmologiques – NuMass

Détermination de la masse des neutrinos cosmologiques

Une avancée majeure au cours de la dernière décennie est la confirmation que les neutrinos sont massifs. Leur masse, cependant, reste inconnue malgré une intense activité de recherche sur le sujet. Dans un proche avenir, les données cosmologiques devraient offrir la meilleure sensibilité à la masse des neutrinos, meilleure que celle que l'on pourra obtenir dans les mêmes délais avec des expériences en laboratoire.

Détermination de la masse des neutrinos cosmologiques à partir de l'analyse de spectres de quasars et de simulations hydrodynamiques

L'objectif de ce projet est d'utiliser la signature laissée dans les spectres des quasars par la présence de l'hydrogène neutre dans l'Univers pour mesurer, ou contraindre, la somme des masses des trois saveurs de neutrinos au niveau de 0,1eV. Avec une telle sensibilité, nous pouvons déterminer l'échelle de masse absolue des neutrinos, en combinant des informations provenant de la physique des particules et les résultats de notre étude cosmologique. Pour atteindre cet objectif, nous avons formé une équipe de scientifiques travaillant à la frontière entre ces deux communautés.

Nous proposons d'utiliser les données recueillies par l'expérience BOSS entre 2009 et 2014. À la fin du relevé, un total de 160 000 spectres de quasars devraient être obtenus, dépassant ainsi l'ensemble des données disponibles précédemment par plus d'un ordre de grandeur. Nous combinerons l'expertise d'expérimentateurs et de théoriciens afin d'aborder la problématique dans une perspective globale: nous allons d'une part analyser les données de quasars obtenus pour déterminer le spectre de puissance du flux transmis, et simuler, d'autre part, la distribution de la matière dans l'Univers en présence de neutrinos massifs, grâce à une simulation hybride hydrodynamique et N-corps que nous allons développer. Nous exécuterons ces simulations sur les supercalculateurs de Bruyères-le-Châtel, l'un des plus grands centre de calcul d'Europe.

Nous serons alors en mesure de généraliser notre analyse développée dans le cadre de neutrinos actifs, et nous pourrons tirer des contraintes similaires sur les neutrinos stériles ou sur différents types de candidats de matière noire tiède.

Les principaux résultats de ce projet sont présentés dans un ensemble de quatre publications menées par les membres du consortium. Ces résultats seront également présentées dans diverses conférences ou workshops:

- Spectre de puissance à une dimension sur les forêts Ly-alpha forêt mesurées dans les spectres de quasars de l'expérience BOSS
- Nouvelle approche pour un calcul précis du spectre de puissance des forêts Lyman-alpha à partir de simulations hydrodynamiques
- Simulations hydrodynamiques de la forêt Lyman-Alpha incluant des neutrinos massifs
- Contrainte sur les masses des neutrinos, obtenues à partir des forêts Lyman-alpha du projet SDSS-III / BOSS et d'autres sondes cosmologiques

La qualité des données Quasar de BOSS DR9 et la rigueur de l'analyse menée par le consortium sont telles que les barres d'erreur sur la mesure du spectre de puissance à 1D du flux transmis sont deux à trois plus petites que celles obtenues par les mesures antérieures. Les développements entrepris dans le cadre de ce projet peuvent donc être étendus afin d'inclure des contraintes sur les neutrinos stériles ou sur les composants de matière noire tiède.

La production scientifique associée à ce projet est décrite ci-dessus.

La confirmation que les neutrinos ont une masse non-nulle a représenté une des avancée majeure de la physique des particules ou cours de cette dernière décennie. La valeur de cette masse, toutefois, demeure inconnue et est la source d’une activité de recherche intense. Dans un futur proche, les données cosmologiques devraient apporter la meilleure sensibilité à la masse des neutrinos, au delà de ce que peuvent atteindre les laboratoires terrestres. L’objectif de cette proposition de projet est d’utiliser la signature laissée par la présence d’Hydrogène dans l’Univers sur les spectres de quasars afin d’en extraire la mesure de la somme des masses des trois saveurs de neutrinos, ou au moins de mettre une limite sur cette somme au niveau de 0.1 eV. Avec un tel niveau de sensibilité, la combinaison de résultats de cosmologie et de physique des particules permet de déterminer l’échelle de masse des neutrinos. Afin d’atteindre ce but, nous avons réuni une équipe de scientifiques travaillant à la frontière entre ces deux communautés.

Nous proposons d’utiliser les données de l’expérience BOSS (2009-2014), qui atteindront 160.000 spectres de quasars à la fin du relevé, plus d’un ordre de grandeur au delà des jeux de données actuels. Au moyen des expertises combinées d’expérimentateurs et de théoriciens, nous nous pencherons sur l’ensemble des aspects de la question dans une perspective globale : nous analyserons les données pour déterminer le spectre de puissance de l’hydrogène, et nous modéliserons par ailleurs la distribution de matière dans l’Univers en présence de neutrinos massifs, en adoptant une approche hybride, reposant sur des simulations hydrodynamique et N-corps, que nous développerons.

Nous pourrons alors généraliser l’ensemble de la chaine d’analyse que nous aurons mise en place pour des neutrinos actifs, afin de l’appliquer à des neutrinos stériles ou autres types de matière noire tiède.

La mesure de l’impact des neutrinos massifs sur la formation des structures dans l’Univers est une étape clef vers un « modèle cosmologique minimal », précis et cohérent. Par ailleurs, ce projet offre l’occasion unique de répondre à l’une des questions phares de la physique des particules, tout en ouvrant la voie vers de nouvelles théories fondamentales.

Coordination du projet

Nathalie PALANQUE-DELABROUILLE (COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES - CENTRE D'ETUDES NUCLEAIRES SACLAY) – ndelabrouille@cea.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CEA/IRFU COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES - CENTRE D'ETUDES NUCLEAIRES SACLAY

Aide de l'ANR 191 300 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2011 - 36 Mois

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