La découverte cruciale du boson de Higgs au LHC a permis de confirmer et de compléter le cadre du modèle standard (SM) de la physique des particules. Dans les années à venir, les études expérimentales se concentreront sur trois secteurs clés, nécessaires pour répondre aux nombreuses questions encore ouvertes soulevées par le SM.

• La frontière des hautes énergies. ATLAS et CMS poursuivront la recherche de nouvelles particules ainsi que la mesure plus précise des couplages de Higgs et du secteur électrofaible. Après la phase de haute luminosité, une nouvelle phase est à l'étude avec des projets ambitieux comme le HE-LHC (centre d'énergie massique de 33 TeV) ainsi que de nouveaux collisionneurs (ILC, FCC).
• La frontière de la haute luminosité, avec la recherche d'éventuels écarts par rapport au SM dans le secteur des saveurs (quarks b et c) par les expériences LHC-B et Belle-II.
• La physique Neutrino, qui ouvre la voie à l'étude d'une nouvelle source de violation de CP dans le secteur leptonique (un élément crucial pour expliquer l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers). La nouvelle phase de l'expérience T2K est un premier pas dans cette direction. Les nouveaux projets d'expériences sur longue distance en construction (DUNE) ou en préparation (Hyper-Kamiokande) permettront d'étudier avec précision la matrice de mélange des neutrinos. Plusieurs expériences de recherche d'une double désintégration bêta sans neutrinos sont en cours et les expériences futures dans ce secteur nécessitent des développements technologiques importants. Un projet flagship appelé BSM-Nu a démarré en 2020 afin de caractériser précisément la nature des neutrinos et ainsi mettre en lumière la nature de la nouvelle physique cachée derrière le modèle standard.

Au cours de la dernière décennie, ce domaine s'est métamorphosé. Les paramètres cosmologiques ont été mesurés avec une très grande précision, grâce à la cartographie nette du CMB par Planck et des oscillations baryoniques par BOSS. Les projets de cosmologie de la prochaine génération exploiteront une lentille faible (Euclide, LSST), et la recherche de modes B de polarisation CMB se fera à la fois du sol et de l'espace.

Les ondes gravitationnelles observées par LIGO et VIRGO ont ouvert un portail à l'observation de phénomènes violents tels que la fusion des trous noirs, la collision des étoiles à neutrons, la nucléosynthèse des baryons lourds en kilonovae. Nos laboratoires continuent d'intervenir dans ce domaine en participant à de grands projets tels que LISA. Le LabEx trouve naturellement sa place pour aider à coordonner les observations de tous les produits susceptibles d'être liés à l'émission d'ondes gravitationnelles, aux photons de haute et de basse énergie, aux neutrinos, aux rayons cosmiques chargés.

En particulier, la détection des rayons gamma et cosmiques, dans laquelle certains de nos laboratoires ont joué un rôle de pionnier, sont des contreparties essentielles dans les observations multi-messagers. Le réseau au sol du CTA a reçu le soutien explicite de notre LabEx (par le biais du projet emblématique Canevas). P2IO est également impliqué dans des projets spatiaux pour ces prochaines années (Fermi extended operations, SVOM...).

Les projets de collisionneurs électrons-protons ou -ions (LHeC au CERN et à l'US EIC) visent à répondre à de nombreuses questions clés allant du nucléaire à la physique des particules. Cela inclut l'obtention de la tomographie tridimensionnelle complète du contenu interne des hadrons, en termes de degrés de liberté de quark et de gluon. Les effets collectifs des ions lourds, qui se produisent déjà à des énergies plutôt modérées, devraient permettre de trouver des preuves quantitatives de la saturation de la densité gluonique, tout comme les études détaillées sur la façon dont les quarks et les gluons se propagent dans la matière nucléaire et se rejoignent pour former des hadrons. Les équipes de P2IO sont leaders dans ces projets, couvrant tous les aspects (théorie, phénoménologie, installations de détection, cibles, accélérateurs), et ont le potentiel de renforcer les relations déjà très fortes existant entre les différents groupes expérimentaux et théoriques de P2IO.

La physique nucléaire à basse énergie vise à expliquer la complexité des propriétés nucléaires, l'origine des éléments chimiques et les limites de la stabilité nucléaire. De nouveaux résultats expérimentaux à partir de noyaux exotiques combinés à des développements théoriques utilisant des théories de terrain efficaces respectant les symétries du QCD combinés à des théories modernes à corps multiples feront progresser rapidement le domaine au cours de la prochaine décennie. Avec ses laboratoires membres à la pointe de tous ces sujets et leur fédération au sein des projets Terra Incognita et Gluodynamics, P2IO jouera un rôle de premier plan dans les futures infrastructures européennes pour la recherche nucléaire.

L'étude de la comète Tchouri avec la sonde Rosetta est un exemple spectaculaire de l'excellence des équipes de P2IO dans le domaine de l'exploration du système solaire. Cette exploration continuera d'être très active avec la mission spatiale BepiColombo pour l'exploration de Mercure, la mission JUICE pour l'exploration de Jupiter et de ses satellites, le programme d'exploration de Mars, la mission Solar Orbiter pour étudier l'activité solaire et la mission SoHO pour l'étude de la structure interne du soleil et de son héliosphère.

Nous continuerons à recueillir et analyser des échantillons extraterrestres prélevés sur Terre et à mener des expériences en laboratoire pour mieux comprendre les divers processus physiques à l'œuvre. Parallèlement, des simulations numériques utilisant des ordinateurs massivement parallèles seront développées au meilleur niveau international, comme la modélisation magnéto-hydrodynamique du Soleil ou la modélisation des interactions Soleil-planète. Le système solaire sera contextualisé par l'étude des systèmes stellaires qui se développe fortement dans de multiples domaines : observationnel (Kepler/K2, TESS et la mission JWST - 2021), développement instrumental pour des missions spatiales (Plato - 2026, et ARIEL - 2028), réduction de données complexes, modélisation des étoiles, des atmosphères des exoplanètes et interactions étoiles-planètes.