Avec des antécédents bien établis, des partenariats internationaux en cours et en développement, des installations de recherche locales de grande valeur comme TRIUMF, SNOLAB et l’Institut Périmètre, et un soutien récent important pour le développement d’infrastructures expérimentales, la communauté canadienne est prête à tirer parti d’un certain nombre de possibilités scientifiques au cours des cinq prochaines années et de la décennie suivante. La présente section décrit les nouvelles possibilités scientifiques et les technologies habilitantes qui permettront d’effectuer des progrès. Le programme de recherche est ensuite présenté sous forme d’un portefeuille multidimensionnel de projets qui aideront la communauté canadienne à maximiser son impact scientifique, ses possibilités de formation et ses avantages pour la société. Le portefeuille existant et les occasions émergentes conduisent à une série de recommandations scientifiques.

Occasions scientifiques pour le Canada

Les caractéristiques uniques de l’écosystème canadien de recherche en physique subatomique placent la communauté en bonne position pour saisir les nouvelles occasions scientifiques, dans le but de maximiser l’impact scientifique, les possibilités de formation et les avantages pour la société. En particulier, le Canada dispose d’une infrastructure de recherche importante avec TRIUMF, SNOLAB et l’Institut Périmètre. En outre, il existe des organisations communautaires actives et des structures de financement souples pour soutenir les nouvelles initiatives scientifiques. Le Canada jouit également d’une excellente réputation en tant que partenaire international de confiance, et la communauté a la capacité de former du personnel hautement qualifié (PHQ) supplémentaire.

Plusieurs occasions scientifiques existent dans les années à venir et elles sont mises en évidence pour chacun des moteurs scientifiques dans les sections ci-dessous.

Moteur scientifique —
Higgs, la physique à l’échelle électrofaible et au-delà

Au cours de la prochaine décennie, nous aurons des occasions uniques d’explorer en profondeur le secteur du boson de Higgs, d’étudier la physique de la rupture de la symétrie électrofaible et de rechercher une nouvelle physique à la frontière de l’énergie, avec des perspectives importantes pour un large éventail de nouveaux résultats passionnants. Des recherches dédiées aux signatures de la physique non conventionnelle offriront en outre un potentiel de découverte important. Il y aura plusieurs possibilités d’explorer indirectement de nouvelles régions de la physique multi-TeV par des mesures de processus physiques connus et rares à un niveau de précision inégalé, offrant des possibilités complémentaires d’observer des indices de la nouvelle physique. Il est également probable que d’ici la fin de la décennie, la situation concernant les anomalies persistantes dans le secteur de la physique B indiquant une possible violation de la saveur des leptons sera clarifiée.

Fort de son expertise et de ses investissements passés, le Canada est bien placé pour saisir d’autres occasions scientifiques grâce à sa participation et à son leadership, par exemple, dans les programmes de physique générale d’ATLAS et de Belle II, dans les recherches spécialisées en nouvelle physique de MATHUSLA et de MoEDAL, et dans les programmes de précision comme ceux de MOLLER et de NA62. Il existe de plus une communauté théorique canadienne active, qui s’emploie à interpréter les nouvelles données et à mettre en évidence les signatures potentielles de la nouvelle physique. Enfin, il est possible de faire progresser la R et D sur les détecteurs et les accélérateurs en synergie avec les contributions au HL-LHC, le développement de Chiral-Belle, le collisionneur linéaire international et le futur collisionneur circulaire.

Moteur scientifique —
Symétries fondamentales et asymétries observées

L’exploration des symétries fondamentales de la physique subatomique et leur violation continueront d’être à la pointe de la recherche de nouveaux phénomènes et principes physiques, offrant des sensibilités puissantes et complémentaires. Il est possible de sonder les symétries à un nouveau niveau de précision en exploitant une variété de techniques différentes.

Dans le paysage des possibilités, l’expertise canadienne combinée en matière de recherche atomique, nucléaire, de physique des particules et d’accélérateurs offre des occasions uniques pour le Canada de jouer un rôle scientifique de premier plan dans le monde. TRIUMF peut devenir un centre mondial de tests de la violation de la symétrie CP et T au moyen des recherches du moment dipolaire électrique (EDM), avec le début de l’exploitation pour le projet TUCAN dirigé par le Canada, l’expérience FrEDM, et le développement de l’installation RAMS utilisant des molécules de monofluorure de radium et d’argent francium. De nouveaux tests de violation de la parité peuvent être réalisés avec FrPNC, des études des désintégrations bêta avec ISAC et TRINAT à TRIUMF, et le lancement des opérations Nab à ORNL. Avec le développement de MOLLER, de Belle II et l’éventuelle mise à niveau de Chiral-Belle, les Canadiens sont également bien placés pour jouer un rôle important dans les futurs mesures de la structure de la symétrie électrofaible et de la valeur de l’angle de Weinberg en fonction de l’énergie. Des tests spectroscopiques d’antihydrogène avec une précision nettement améliorée seront réalisables avec ALPHA-3 et ALPHA-g, et le déploiement de HAICU dirigé par le Canada. Les tests d’universalité de la saveur des leptons seront prolongés avec NA62 au CERN, et le développement potentiel de PIONEER. Les mesures des propriétés des neutrinos et de la symétrie CP se poursuivront avec des expériences de neutrino à grande distance telles que T2K et passeront à la prochaine génération de précision avec les opérations Hyper-K et DUNE. Les essais de violation du nombre de leptons par double désintégration bêta sans émission de neutrinos peuvent être explorés plus avant avec des expériences de nouvelle génération telles que nEXO, LEGEND ou d’autres détecteurs complétant le programme SNO+ existant au SNOLAB.

Moteur scientifique —
Propriétés des neutrinos

Les dix prochaines années s’annoncent passionnantes pour la physique des neutrinos. À leur terme, il est probable que la hiérarchie des masses soit déterminée et que la recherche de la violation de la symétrie CP soit bien engagée, ce qui pourrait aboutir à des résultats concluants. En même temps, les recherches sur la 0vββ auront continué à progresser, et probablement atteint une sensibilité permettant de couvrir l’espace de paramètres de la hiérarchie inversée. Les mesures des neutrinos astrophysiques auront continué à nous informer sur les processus à hautes énergies du cosmos, et les neutrinos auront encore éclairé notre compréhension du fonctionnement du Soleil et de l’intérieur de la Terre. La recherche sur la physique des neutrinos continue de progresser avec dynamisme et de nouvelles découvertes révolutionnaires sont tout à fait possibles.

Le Canada est bien placé pour jouer un rôle de premier plan dans toutes ces réalisations scientifiques, avec le développement de Hyper-K et de DUNE, l’évolution d’IceCube et le développement potentiel de POne, ainsi que la primauté du SNOLAB comme lieu privilégié pour les expériences à l’échelle de la tonne telles que nEXO et LEGEND.

Moteur scientifique —
Matière noire et secteurs sombres potentiels

Des percées importantes dans notre compréhension de la nature de la matière noire sont potentiellement à portée de main au cours de la prochaine décennie. Les expériences conçues pour détecter directement la présence de matière noire dans notre HALO galactique sont susceptibles d’augmenter considérablement leur sensibilité grâce au perfectionnement continu des techniques expérimentales. À mesure que la sensibilité expérimentale se rapproche de l’important bruit de fond des neutrinos solaires et atmosphériques (le « plancher de neutrinos »), les nouvelles orientations possibles comprennent la mise au point d’expériences capables d’explorer diverses échelles de masse, la diffusion de matière noire par des électrons atomiques et la capacité directionnelle dans la reconstruction des interactions de la matière noire. Au cours des dix prochaines années, plusieurs projets basés sur des accélérateurs et visant à produire de la matière noire et des particules liées à un éventuel secteur sombre devraient également avoir acquis des données significatives permettant d’autres tests directs de ce paradigme. La recherche de la matière noire par l’observation de ses signatures d’annihilation sera poursuivie grâce à plusieurs observatoires de sensibilité croissante. La communauté canadienne qui travaille sur la théorie des astroparticules est de plus bien placée pour jouer un rôle synergique dans cet effort.

Le Canada est promis à un brillant avenir dans la recherche de la matière noire et il est en excellente position pour saisir ces occasions scientifiques. L’infrastructure de l’expérience canadienne d’essai cryogénique souterrain (CUTE) au SNOLAB permettra une exploitation précoce des cristaux du SuperCDMS pour les résultats de physique. D’ici la fin de la décennie, l’expérience SuperCDMS au SNOLAB aura exploré une large bande de l’espace des paramètres pour les WIMP de faible masse et se rapprochera de la sensibilité au bruit de fond des neutrinos solaires et atmosphériques. La collaboration DEAP a rejoint la Global Argon Dark Matter Collaboration dans le but de faire fonctionner DarkSide-20k au laboratoire souterrain du Gran Sasso (LNGS) en Italie, puis un détecteur ARGO de plusieurs centaines de tonnes, le SNOLAB étant l’emplacement privilégié. L’expérience PICO devrait continuer à améliorer sa sensibilité de pointe dans le secteur des WIMP dépendant du spin, tandis que la nouvelle expérience SBC adaptera cette nouvelle technologie passionnante de chambre à bulles scintillantes à la recherche de WIMP de faible masse. L’expérience NEWS-G est également prête à apporter des contributions intéressantes au régime de masses faibles et explorera la sensibilité directionnelle en utilisant une nouvelle anode centrale composite dans son détecteur. Des recherches sur le secteur sombre basées sur des accélérateurs de haute précision seront effectuées à ATLAS, Belle II, NA62, MoEDAL et MOLLER. L’expérience DarkLight prépare en outre un rapport de conception technique pour l’utilisation du faisceau d’électrons intense d’ARIEL sur une cible mince à TRIUMF afin d’explorer les secteurs sombres. Les Canadiens participeront aussi à la mise en service et à l’exploitation d’un démonstrateur pour le futur projet MATHUSLA. Les recherches indirectes de l’annihilation de la matière noire se poursuivront à IceCube.

Moteur scientifique —
Nouveaux principes et nouvelles structures physiques

Les théoriciens canadiens qui cherchent à mieux comprendre les fondements de la physique subatomique ont acquis une stature mondiale dans toute une série de sous-domaines de recherche. Cela offre des possibilités de progrès dans plusieurs thématiques d’actualité. Les théoriciens canadiens se penchent sur des questions fondamentales concernant la structure sous-jacente de la théorie quantique des champs, notamment l’amélioration des méthodes de calcul des amplitudes de diffusion, les structures géométriques qui les sous-tendent et les contraintes de cohérence des théories quantiques des champs autorisées dans le régime de couplage fort. Le rôle de la théorie de l’information quantique dans les théories quantiques des champs est un autre domaine croissant de l’activité théorique au Canada; par le biais de la correspondance AdS/CFT. Ce travail permet de comprendre le paradoxe de l’information des trous noirs, le rayonnement de Hawking et, plus généralement, la gravité quantique. L’holographie (la correspondance AdS/CFT et ses extensions) continue également de présenter des occasions pour faire progresser notre compréhension des théories de jauge fortement couplées, avec des progrès continus dans la modélisation de la physique nucléaire, comme le plasma quark-gluon, et l’hydrodynamique. D’autres possibilités de recherche dans le cadre de la théorie des cordes visent à expliquer diverses caractéristiques du modèle standard, ainsi que des propriétés du vide, telles que la constante cosmologique ou l’énergie sombre. Cela ouvre aussi d’autres voies d’avancement, car les développements théoriques de la théorie quantique des champs peuvent apporter de nouvelles idées concernant les époques très anciennes de l’histoire de l’univers et ses conditions initiales. Les observations cosmologiques promettent à leur tour de fournir davantage d’informations sur la nature à haute énergie de la physique subatomique, notamment sur les propriétés de la matière noire. L’universalité des outils théoriques formels utilisés en physique subatomique offre également des possibilités de connexions avec d’autres domaines, notamment l’astrophysique, la physique de la matière condensée et l’informatique quantique.

Les efforts de théorie formelle sont principalement motivés par l’objectif de déterminer les structures sous-jacentes qui peuvent systématiser et étendre notre compréhension théorique de la physique fondamentale. Toutefois, à long terme, la recherche formelle continuera à alimenter les domaines plus phénoménologiques de la physique subatomique afin d’éclairer notre compréhension de nombreux autres moteurs scientifiques, comme cela a été le cas par le passé. Les théoriciens canadiens sont bien placés pour faire progresser la théorie formelle sur un certain nombre de sujets, offrant ainsi de nouvelles orientations pour la recherche subatomique phénoménologique et expérimentale à long terme.

Moteur scientifique —
Propriétés et phases des hadrons

Au cours de la prochaine décennie, de nouvelles capacités expérimentales et des avancées sur toute une série de sujets théoriques permettront de faire la lumière sur la structure des nucléons et les propriétés des hadrons.

Des détecteurs améliorés pour GlueX au JLab et au MAMI permettront d’étendre la portée en termes de précision et de cibles nucléaires disponibles. La proposition du JLab Eta Factory (JEF) implique une mise à niveau significative de l’instrumentation de base de GlueX afin d’améliorer la résolution en énergie et en position et permettre une précision sans précédent dans les recherches de mésons hybrides exotiques. Le détecteur solénoïdal de grande intensité (SoLID) du JLab étudiera les distributions généralisées de partons, qui peuvent fournir une image tomographique en 3D des nucléons. Les mesures de la polarisation de spin des neutrons seront possibles grâce à une combinaison de mesures sur He et He au MAMI, avec le développement d’une cible active d’hélium à haute pression.

En ce qui concerne l’avenir, le futur collisionneur électron-ion (EIC, Electron-Ion Collider) sera le seul collisionneur nord-américain à être construit dans un avenir prévisible et il se trouve aux portes du Canada. Les nouvelles possibilités offertes par l’EIC permettront de parvenir à une compréhension transformatrice du système dynamique des quarks et des gluons. Il existe une synergie importante entre l’EIC et le programme Jlab 12 GeV, avec un ensemble riche et diversifié d’expériences capables d’étudier précisément la chromodynamique quantique, de la nature du problème des corps multiples à température finie, à la cartographie de la transition des degrés de liberté hadroniques jusqu’aux degrés de liberté partoniques. Des chercheurs canadiens participent à tous ces projets, depuis les activités théoriques de pointe jusqu’au développement de technologies habilitantes pour l’EIC, comme les cavités en crabe. Ils feront très certainement des découvertes importantes sur la structure des hadrons.

Moteur scientifique —
Structure nucléaire

Une compréhension prédictive des noyaux et de leurs interactions nécessite une grande variété d’expériences et d’outils théoriques complémentaires. Au cours des dix prochaines années, on verra le début de l’exploitation d’infrastructures de nouvelle génération pour une étude systématique des propriétés et des modèles nucléaires, ouvrant potentiellement une fenêtre sur des phénomènes nouveaux et inattendus.

Au Canada, la mise en service de l’installation ARIEL et du projet CANREB à TRIUMF permettra de tripler le temps de faisceau et d’étendre les capacités physiques et la portée de la recherche sur la structure nucléaire. Les scientifiques canadiens continueront également à jouer un rôle décisif au niveau mondial en contribuant au développement d’instruments uniques et de programmes de physique de pointe à RIBF (Japon), FAIR (Allemagne) et FRIB (États-Unis).

L’élaboration de nouvelles théories ab initio, tant pour la structure nucléaire que pour les interactions, fait aussi partie intégrante de ce programme. La synergie entre l’expérience et la théorie pour concevoir des expériences plus sensibles et le retour d’information sur le cadre théorique seront essentiels pour tracer la voie vers l’objectif primordial du domaine : un modèle standard prédictif des noyaux.

Moteur scientifique —
Formation cosmique des noyaux

La prochaine décennie offrira de nouvelles occasions scientifiques pour l’étude de la synthèse des éléments lourds en raison de l’augmentation significative des infrastructures de faisceaux radioactifs dans le monde, combinée aux observations multimessagers des fusions d’étoiles à neutrons. Par exemple, il sera possible d’étudier directement les réactions clés et les noyaux à courte durée de vie nécessaires pour comprendre les voies de réaction des événements astrophysiques explosifs.

Le Canada est particulièrement bien placé pour assumer un rôle de premier plan dans ces enquêtes avec le début de l’exploitation des installations ARIEL et CANREB à TRIUMF. Diverses extensions et mises à niveau des capacités expérimentales existantes sont prévues dans l’optique d’exploiter pleinement la future capacité de faisceaux de TRIUMF. Par exemple, un réseau LaBr₃ est prévu pour multiplier par dix la sensibilité du marquage gamma de DRAGON. Une chambre de projection temporelle de cible active (EXACT-TPC) est également prévue pour offrir de nouvelles orientations dans les mesures de sections des réactions, notamment avec ^3,4He.

Les infrastructures à l’étranger offriront de plus de nouvelles possibilités scientifiques. Par exemple, des intensités plus élevées de noyaux rares étendront la portée de l’étude des désintégrations exotiques avec, par exemple, des ions fortement chargés dans les anneaux de stockage ou des émetteurs de neutrons multiples à retardement bêta au GSI/FAIR. La mesure de l’épaisseur de la peau neutronique des noyaux riches en neutrons, qui permet d’explorer l’équation d’état de la matière nucléaire asymétrique, est en outre prévue au GSI/FAIR et au FRIB.

Les développements futurs de la théorie ab initio promettent d’étendre la portée aux noyaux de masse élevée en utilisant la puissance de calcul à l’échelle exaflopique et le perfectionnement de l’informatique quantique et des capacités algorithmiques. Plusieurs nouvelles avancées sont prévues dans la modélisation des fusions d’objets compacts, notamment des simulations de dynamique moléculaire.

À plus long terme, il est envisagé d’installer un anneau de stockage avec un générateur de neutrons à TRIUMF. Ce projet d’infrastructure pourrait fournir une capacité unique pour mesurer directement les sections efficaces de capture des neutrons des isotopes rares.

Occasions découlant des synergies avec d’autres domaines

Au cours de la prochaine décennie, les connaissances acquises dans d’autres domaines de recherche pourraient également contribuer à faire progresser notre compréhension des moteurs scientifiques de la physique subatomique. Voici quelques exemples :

• Des avancées en astronomie et en astrophysique; par exemple, les signatures potentielles des ondes gravitationnelles de la cosmologie des particules précoces, les signatures potentielles de la matière noire dans un certain nombre de futurs observatoires terrestres et spatiaux, les développements dans la simulation de la structure et de la formation des galaxies et les observations multimessagers des fusions d’objets compacts qui pourraient fournir des connaissances sur l’équation d’état de la matière à haute densité.
• La prochaine génération d’expériences de mesure du fond diffus cosmologique permettra d’accroître considérablement la précision des contraintes imposées à la nature des neutrinos, de la matière noire et des secteurs sombres.
• Le perfectionnement de la technologie de détection et de l’informatique quantique, ainsi que les aspects théoriques de la matière condensée quantique, se produit rapidement et est susceptible d’ouvrir de nouvelles possibilités d’exploration des moteurs scientifiques de la physique subatomique; certains exemples sont présentés ci-dessous.

De même, il est possible que les résultats des futures recherches en physique subatomique aient un impact sur d’autres domaines de recherche connexes :

• Une mesure expérimentale de l’échelle de masse absolue des neutrinos pourrait avoir des implications directes en cosmologie.
• Des mesures précises des nouvelles propriétés et des taux nucléaires permettront de mieux comprendre et de modéliser les processus de l’astrophysique stellaire.
• Les progrès réalisés dans la technologie des accélérateurs et des détecteurs sont susceptibles d’ouvrir de nouvelles possibilités de recherche dans d’autres domaines, notamment pour ce qui suit :
  • nouveaux diagnostics et traitements en physique médicale;
  • applications soutenant les technologies vertes;
  • systèmes spatiaux conçus pour l’exploration de l’espace lointain;
  • instruments d’imagerie et de tomographie pour la science des matériaux.

Infrastructures et technologies habilitantes

Les progrès réalisés pour chacun des moteurs scientifiques dépendent de nombreux facteurs, mais une série d’infrastructures et de technologies habilitantes sont essentielles pour les avancées expérimentales et théoriques. Elles sont décrites ci-dessous, ainsi que leur application pour chaque moteur scientifique.

Infrastructures spécialisées

La recherche en physique subatomique est rendue possible par la mise au point et la disponibilité d’infrastructures uniques, comme l’illustre la figure 3.

Accélérateurs de particules

L’infrastructure des accélérateurs de particules reste une force motrice dans le développement de la physique expérimentale des particules et de la physique nucléaire, et constitue une infrastructure habilitante pour presque tous les moteurs scientifiques. À son tour, le domaine de la physique des accélérateurs est en synergie avec la physique subatomique. Il est motivé par de nombreux objectifs scientifiques, mais avec des applications plus larges. L’infrastructure des accélérateurs avec un accès et une participation importants du Canada comprend : TRIUMF au Canada, le LHC au CERN, JPARC et KEK au Japon, Fermilab, JLab, RHIC et le futur EIC aux États-Unis, et le MAMI en Allemagne. Les développements nécessaires pour ce type d’infrastructure à l’appui de la recherche en physique subatomique comprennent :

• La R et D sur les accélérateurs, axée sur la technologie de la radiofréquence supraconductrice (SRF).
• Le développement de faisceaux à haute luminosité (neutrinos, électrons, neutrons, kaons, pions, ions ou antimatière) pour des mesures de précision.
• Le développement de faisceaux polarisés de différentes espèces.
• Les progrès réalisés dans la compréhension de la physique des faisceaux permettent un contrôle de précision pour un fonctionnement à plus haute intensité ou efficacité.

La poursuite des progrès dans la technologie des accélérateurs implique également l’étude de nouvelles techniques d’accélération, telles que l’accélération du faisceau dans les plasmas.

Isotopes rares

Les faisceaux d’isotopes rares permettent d’étudier la structure nucléaire, y compris les processus astrophysiques à l’origine des éléments. TRIUMF est une installation de classe mondiale qui fournit des faisceaux d’isotopes uniques à faible énergie et à des énergies proches de la barrière de Coulomb, avec un ensemble complet de détecteurs pour l’analyse. L’achèvement d’ARIEL augmentera considérablement la capacité de TRIUMF à délivrer des faisceaux d’isotopes.

Situées à l’étranger, les installations suivantes d’isotopes rares avec des faisceaux relativistes offrent des capacités complémentaires : Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) aux États-Unis, Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) en Allemagne et RI Beam Factory (RIBF) à RIKEN, au Japon.

Les domaines importants dans lesquels le développement de ces infrastructures est nécessaire comprennent le ciblage des faisceaux, le transport des faisceaux et les capacités de détection.

Faibles bruits de fond

Les mesures de processus rares et celles qui exigent une grande précision dépendent de manière critique des installations à faible bruit de fond. Ces infrastructures sont essentielles pour les progrès expérimentaux dans la recherche de la matière noire et des propriétés des neutrinos, ainsi que pour les tests de haute précision des symétries fondamentales. Les installations qui ont bénéficié d’un accès et d’une participation importants de la part des Canadiens sont les suivantes : SNOLAB au Canada, Gran Sasso en Italie et WIPP aux États-Unis. Les avancées spécifiques pour ce type d’infrastructures nécessaires au soutien de la physique subatomique comprennent ce qui suit :

• Le développement et la production de matériaux ultra-propres.
• Le développement de techniques améliorées de dosage des matériaux.
• Des champs électromagnétiques, des propriétés et une dynamique de faisceaux contrôlés et surveillés avec précision, ainsi qu’une polarisation des faisceaux élevée et mesurée avec précision.
• Détecteurs spécialisés de haute précision.

Outils habilitants et technologies émergentes

Les progrès réalisés dans le domaine de l’instrumentation, de l’analyse des données, de la théorie et de la puissance de calcul favorisent des révolutions axées sur les outils qui peuvent ouvrir la voie à de nouvelles découvertes. Il est donc important de maintenir et de renforcer davantage un environnement de recherche et de développement qui stimule et soutienne l’innovation dans ces domaines.

R et D concernant les détecteurs

La R et D concernant les détecteurs est essentielle pour les nouvelles découvertes. Il est donc important que la communauté soutienne et promeuve un portefeuille diversifié d’activités de R et D générique et de R et D axée sur la résolution des défis technologiques connus de la prochaine génération d’expériences. La mise au point d’instruments pour la physique subatomique est à la fois un moteur et un bénéficiaire des progrès réalisés dans d’autres domaines de la physique subatomique et dans d’autres domaines scientifiques et industriels. L’innovation technologique émerge souvent de ces synergies. Parmi les exemples de développements de détecteurs, citons :

• Des dispositifs semi-conducteurs résistants aux rayonnements pour le suivi des détecteurs dans les futures expériences de collision.
• Des photodétecteurs performants et nouveaux.
• Des technologies de détection du recul nucléaire et électronique à faible seuil, y compris des capteurs quantiques.
• La capacité de mesurer des caractéristiques combinées telles que celles associées au développement du suivi 4D et de l’imagerie 5D.

Infrastructure de recherche numérique

La recherche en physique subatomique nécessite l’accès à une infrastructure de recherche numérique de pointe dotée de capacités de calcul importantes, de stockage à l’échelle du pétaoctet et d’une connectivité réseau à haut débit entre les différents sites de calcul et centres de recherche du monde entier, afin de gérer de grands ensembles de données partagées. Dans les années à venir, cette infrastructure de recherche numérique sera fournie et gérée au Canada par CANARIE et la Nouvelle organisation d’infrastructure de recherche numérique (NDRIO) en cours de création. Comme le souligne la politique de gestion des données de recherche des trois organismes fédéraux de financement de la recherche, « la gestion des données de recherche (GDR) est un élément nécessaire à l’excellence de la recherche ». Dans ce contexte, il est important de noter que les besoins en physique subatomique ne se limitent pas au stockage général des données issues des expériences, mais comprennent également le stockage d’archives à long terme (préservation des données).

Analyse, théorie et informatique

Les outils d’analyse d’ensembles de données toujours plus complexes et l’élaboration du cadre théorique permettant de comprendre les lois fondamentales de la physique subatomique doivent évoluer de concert avec les techniques expérimentales. La physique subatomique a favorisé le développement de nombreuses technologies d’analyse, notamment la simulation de Monte Carlo pour la modélisation des signaux et du bruit de fond, et l’utilisation d’algorithmes d’apprentissage automatique pour l’analyse des données. En parallèle, l’évolution de la modélisation phénoménologique, des technologies de calcul et de notre compréhension théorique laisse entrevoir de nouvelles connexions et synergies. Les développements spécifiques comprennent :

• Des méthodologies d’apprentissage automatique en matière de déclenchement, de simulation et d’analyse des données.
• L’informatique quantique et les algorithmes quantiques pour la reconstruction, la simulation et l’analyse des données des grandes expériences de physique des particules.
• De nouvelles techniques de calcul d’amplitude, qui ont permis une analyse d’ordre supérieur du bruit de fond du modèle standard dans les collisionneurs.
• De nouvelles connexions théoriques et synergies avec d’autres domaines, par exemple l’utilisation d’outils d’information quantique dans l’analyse de la physique des trous noirs.

Portefeuille de recherche

Les objectifs primordiaux suivants ont été définis pour le plan de recherche en physique subatomique afin de maximiser l’impact du programme canadien de physique subatomique, en tenant compte de toutes les possibilités décrites ci-dessus :

• Concentrer les efforts sur les problèmes de recherche les plus pertinents.
• Exploiter pleinement les installations uniques, les avantages concurrentiels et les investissements passés du Canada.
• Participer à des projets de recherche internationaux de premier plan et respecter les engagements.
• Maintenir la capacité et la flexibilité pour explorer et développer de nouvelles occasions scientifiques.
• Engager pleinement le PHQ dans tous les aspects de la recherche scientifique afin de maximiser les résultats de la formation.

Le Comité de planification à long terme estime qu’il est utile pour la communauté de présenter le plan de recherche sous la forme d’un portefeuille de projets de recherche, où un équilibre optimal entre les différentes dimensions maximiserait la probabilité d’un impact scientifique selon les objectifs ci-dessus tout en minimisant les risques. Les axes (ou dimensions) du portefeuille sont les suivants :

• Spécialisation scientifique canadienne par rapport à l’étendue.
• Cycle de vie des projets expérimentaux (R et D et construction ou exploitation et résultats scientifiques).
• Résultat scientifique garanti ou risque élevé/récompense élevée.
• Calendrier du projet.
• Approche théorique vs expérimentale.

Le portefeuille conserve un équilibre optimal entre ces dimensions, tout en présentant une vision des futures priorités scientifiques de la physique subatomique tirée de la communauté ainsi que les moyens les plus efficaces d’y répondre. Il ouvre également de nouvelles possibilités scientifiques, des interconnexions entre les sous-domaines de recherche et le besoin de ressources dans les délais plus longs qui sont désormais courants pour les projets de physique subatomique à grande échelle.

Une représentation schématique du portefeuille actuel de la recherche en physique subatomique, en relation avec les moteurs scientifiques, est présentée dans la figure 4.

Recommandations scientifiques :

Le Comité de planification à long terme a élaboré un certain nombre de recommandations scientifiques qui s’appuient sur les activités de recherche en cours, telles que présentées dans le portefeuille, et sur les nouvelles possibilités de recherche décrites ci-dessus. Ces recommandations sont décrites ci-dessous.

Le Canada a la chance de posséder plusieurs laboratoires et installations de recherche en physique subatomique de classe mondiale. Cela comprend notamment l’infrastructure expérimentale pour la physique nucléaire à TRIUMF et une des installations souterraines à faible bruit de fond les plus profondes pour la physique des neutrinos et de la matière noire à SNOLAB. En outre, l’Institut Périmètre est l’un des centres les plus importants au monde, consacré à la physique théorique. Ces centres mènent des recherches et servent également de points de convergence pour stimuler la collaboration avec la communauté mondiale. Des investissements importants ont été réalisés au cours de la dernière décennie à TRIUMF, notamment pour le développement d’ARIEL et à SNOLAB pour la mise en ligne de nouveaux espaces expérimentaux. Il est de la plus haute priorité de tirer pleinement parti de ces investissements pour saisir les nouvelles occasions scientifiques associées.

La physique subatomique repose sur les avancées théoriques et expérimentales, car elle cherche à comprendre les lois fondamentales de la physique. Pour la santé de la communauté, il est essentiel que le travail théorique se poursuive selon deux voies : l’une qui soit pleinement collaborative, avec des expériences sur le nucléaire et les particules, afin d’interpréter et de comprendre les données et d’indiquer de nouvelles possibilités; et l’autre qui explore de nouvelles structures théoriques et cherche à comprendre les aspects de la nature qui échappent au modèle standard, comme la nature quantique de la gravité, les trous noirs et la cosmologie primitive. Historiquement, la communauté théorique canadienne a connu beaucoup de succès dans ces deux directions et elle a besoin de soutien pour continuer à avoir un impact mondial.

La communauté canadienne de la physique subatomique a réussi à établir sa réputation mondiale en identifiant soigneusement les projets expérimentaux qui répondent aux questions scientifiques de premier rang. Les possibilités du programme actuel et futur ont été décrites ci-dessus, et la série actuelle de projets complète le portefeuille représenté schématiquement dans la figure 4. Ces considérations conduisent aux recommandations suivantes pour le programme expérimental.

En gardant à l’esprit les perspectives à plus long terme, jusqu’en 2036, il est important de souligner que le développement de projets dépend essentiellement de la capacité de la communauté à explorer, à développer et à évaluer l’utilité des nouvelles technologies d’une manière qui ne soit pas trop étroitement liée à leur application finale. La participation du Canada à de nouveaux projets nationaux et internationaux exige la capacité de mettre au point et d’utiliser de nouvelles technologies, et un engagement précoce maximise les possibilités de leadership, de développement de la propriété intellectuelle et de formation ultérieure. Cependant, cette R et D générique n’est pas entièrement soutenue dans l’écosystème actuel de financement par projet, et nous soulignons la nécessité d’un soutien supplémentaire pour cet aspect critique dont dépendent le développement et le progrès à long terme de la physique subatomique.