Présentation du CPHT

 

Le Centre de Physique Théorique (CPHT) de l’École polytechnique regroupe des chercheurs dont l’activité est consacrée à l’élaboration de théories physiques nouvelles dans des directions très variées. On y traite aussi bien des interactions fondamentales, dans le cadre de la chromodynamique quantique ou de la théorie des cordes, que de fusion thermonucléaire contrôlée, autour du projet ITER, en passant par la théorie des systèmes chaotiques, par la modélisation des éruptions solaires, par l’analyse de l’interaction laser-matière à très haut flux, ou par le développement de nouvelles méthodes théoriques pour le calcul de la structure électronique de matériaux fortement corrélés. Les chercheurs du CPHT œuvrent en relation étroite avec de multiples collaborateurs et leurs approches théoriques sont souvent confrontées aux expériences.

Physique des Particules Une théorie complète de la renormalisation a été définie dans le cadre du formalisme de l’action effective deux-particules-irréductible, appliqué aux théories de jauge abéliennes. Ce même formalisme a permis d’approfondir la compréhension du processus de renormalisation dans le contexte d’un système hors d’équilibre. D’autre part, plusieurs résultats intéressants ont clarifié divers aspects de la chromodynamique quantique (QCD), théorie des interactions fortes nucléaires : - On a démontré que l’effet Compton virtuel (la production d’un photon lors de la diffusion d’un électron par un hadron) est un test sélectif des différents modèles du formalisme connu sous le nom de correspondance AdS/QCD. - Une méthode pour sommer les contributions sous-dominantes dans la limite élastique des réactions de diffusion d’un électron de haute énergie sur un proton a été conçue. - Un nouveau moyen d’accès aux distributions de transversité des quarks dans le proton, à savoir la photoproduction de paires de leptons, a été mis à jour en tirant partie du couplage du photon aux quarks induit par la susceptibilité magnétique du vide de la QCD. -On a proposé un Lagrangien effectif pour décrire les désintégrations en deux gluons et deux photons de certains quarkonia lourds, ce qui a permis de calculer leurs taux de désintégration sans avoir besoin de connaitre la valeur de leurs fonctions d’onde à l’origine.

Cordes L‘activité de l’équipe de théorie des cordes se situe au croisement des cordes proprement dites et des théories des champs. On y étudie des aspects formels et des applications à la gravitation, la cosmologie et la phénoménologie des particules. L’activité récente a été largement orientée vers l’appréhension d’effets qui ne sont pas pris en compte par les séries perturbatives. Ceux-ci sont décrits au moyen d’instantons à propos des- quels quelques résultats remarquables ont été obtenus, en théorie des cordes de type I, en relativité générale ou encore dans une version modifiée de cette dernière. On peut également signaler la recherche de signatures typiques de matière noire, potentiellement observables, ainsi que le développement de modèles cosmologiques fondés sur une véritable théorie de cordes.

Physique mathématique Les travaux sont centrés autour de la physique statistique des grands systèmes et de la théorie des champs. On s’intéresse aux systèmes dynamiques continus, où on a obtenu de nouveaux résultats avec les inégalités de concentration; aux systèmes dynamiques discrets et ultradiscrets (automates cellulaires), en particulier aux critères d’intégrabilité pour ceux-ci, mais aussi à leur application en biologie ; à la théorie de la renormalisation et à la théorie constructive des champs; aux groupes quantiques ; à la géométrie de surfaces conjuguées et d’engrenages. Parmi les résultats récents mentionnons de nouvelles bornes obtenues pour les fonctions de corrélation en théorie des champs. D’une part nous avons établi des bornes pour les théories des champs renormalisables bien connues qui prouvent la sommabilité de Borel locale tout en étant plus précises et probablement proches de la réalité en ce qui concerne la dépendance en impulsions et en nombre de points externes. D’autre part les méthodes de la théorie des champs ont été appliquées à un modèle inspiré par la gravitation quantique qui est un modèle de théorie des champs sur un groupe. Pour ce modèle avec coupure UV, des bornes sur les amplitudes de Feynman à tous les ordres en perturbation ont été établies. Nous avons proposé un modèle linéarisé proche du modèle de départ, dans lequel on peut évaluer de manière simple tous les diagrammes.

Physique de la matière condensée Nos activités se structurent selon trois thématiques différentes : i) physique des matériaux à électrons fortement corrélés, ii) physique des gaz atomiques ultra-froids dans les réseaux optiques, iii) physique des matériaux organiques et gaz d’électrons homo- gène. L’équipe développe et utilise des algorithmes de simulation numérique ainsi que des méthodes analytiques pour ces études. Parmi ses résultats marquants en 2008, citons la mise en évidence d’une compétition entre effet Kondo et supraconductivité dans les nouveaux supraconducteurs à base de Fer, le calcul ab initio de spectres optiques de certains matériaux fortement corrélés, et l’étude du piégeage, du refroidissement et de la transition de Mott d’atomes fermioniques dans les réseaux optiques.

Interaction Laser-Plasma Pour la réalisation de la fusion par laser, il est primordial de contrôler le niveau des instabilités paramétriques qui diminuent l’efficacité de l’absorption de l’énergie laser par le plasma. Notre modélisation de l’interaction laser-plasma permet de décrire des processus de diffusion stimulée, de la filamentation et du croisement entre plusieurs faisceaux laser ‘’lissés’’ entrant dans des cavités de cibles dans le cadre du Laser MégaJoule. Nous avons approfondi notre modélisation des schémas décrivant la production de protons et d’ions rapides en incluant des effets multi-dimensionnels d’expansion du plasma, des collisions Coulombiennes ainsi que l’instabilité de Weibel. La génération d’ions énergétiques fait partie de nos études sur le schéma ‘’d’allumage rapide’’ en fusion par laser, et elle présente un grand intérêt pour diverses applications (protonthérapie etc.). Une autre activité du groupe porte sur la génération des proces- sus non linéaire à partir de la filamentation d’impulsions laser femtoseconde dans les gaz et les milieux condensés: harmoniques, impulsions attoseconde, ondes X.

Plasmas magnétisés L’activité du groupe plasmas magnétisés couvre la modélisation numérique de plasmas du système solaire et de laboratoires tels que les tokamaks (par exemple ITER) ou les propulseurs ioniques. La simulation des plasmas solaires a été étendue au couplage avec la zone de convection et l’étude de l’interaction du vent solaire avec la magnétosphère. La simulation d’instabilités MHD globales dans les tokamaks a été généralisée par des modèles hybrides fluides-particules centres-guides et exacts pour inclure les couplages avec des populations d’ions chauds (alphas de fusion). Enfin, des simulations particulaires ont permis l’étude des mécanismes de transport électronique anormal à travers un champ magnétique dans les propulseurs ioniques à effet Hall.

Participation aux enseignements Le Centre participe aux enseignements de l’École, ainsi qu’aux Masters suivants : Physique Théorique ; Noyaux, Particules, As- troparticules et Cosmologie ; Lasers et Matière ; Physique des Plasmas ; Sciences de la Fusion.

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