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The gravitational S-matrix: from theory to experiment

Description du projet

Redéfinir notre compréhension des ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles, ces ondulations de l’espace-temps provoquées par les collisions entre les trous noirs et les étoiles à neutrons, offrent aux scientifiques un nouveau moyen puissant d’étudier l’Univers. Mais pour en tirer le meilleur parti, les chercheurs ont besoin de modèles plus précis du comportement et de l’interaction de ces objets massifs. Le projet GravitaS, financé par le CER, vise à utiliser des méthodes issues de la physique des particules, en particulier les amplitudes de diffusion (qui décrivent la manière dont les particules interagissent), pour mieux comprendre le mouvement des systèmes binaires. En associant des idées issues de la recherche sur les ondes gravitationnelles et de la théorie quantique des champs, GravitaS améliorera la manière dont nous interprétons les signaux émis par les détecteurs actuels et les détecteurs plus avancés à venir.

Objectif

Recent insights into the gravitational S-matrix, which describes the scattering of gravitating particles, have lead to a breakthrough in the perturbative understanding of the two-body problem in General Relativity, with direct relevance to gravitational wave physics. Such advances have been enabled by the methods of scattering amplitudes and effective field theory, originally developed in the context of particle and collider physics. Despite recent progress, a formalism to extract the dynamics of inspiralling compact binaries from scattering amplitudes is still lacking, in order for the results of this program to be fully implemented in the analysis of gravitational wave data. Furthermore, the advent of space-based detectors will enable the observation of extreme-mass-ratio binary systems, and push gravitational wave astronomy into the strong-field regime not amenable to traditional perturbative methods.

We propose to address these challenges by breaking new ground and extending the reach of the gravitational S-matrix program by integrating insights from gravitational self-force theory, which solves the dynamics order-by-order in the mass ratio of the binary. We focus on three objectives:

1. Use the scattering of gravitational waves off a compact objects to extract universal predictions and extend the methods of scattering amplitudes beyond the weak-field regime.
2. Develop a new approach to predicting the scattering dynamics of extreme-mass-ratio binaries leveraging recent advances in scattering amplitudes and self-force theory.
3. Design a framework to translate observables from the scattering of binaries to the bound dynamics relevant for experiment, utilizing insights from effective field theory.

The successful completion of this program will fundamentally reshape our understanding of gravitational scattering and the dynamics of compact binary systems, and revolutionize our ability to make predictions for current and future gravitational wave observatories.

Champ scientifique (EuroSciVoc)

Programme(s)

Thème(s)

Régime de financement

HORIZON-ERC - HORIZON ERC Grants

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Appel à propositions

(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) ERC-2025-STG

Voir tous les projets financés au titre de cet appel

Institution d’accueil

INSTITUT DES HAUTES ETUDES SCIENTIFIQUES
Contribution nette de l'UE
€ 1 498 875,00
Adresse
ROUTE DE CHARTRES 35
91440 Bures Sur Yvette
France
PME
Oui
Région
Ile-de-France Ile-de-France Essonne
Type d’activité
Research Organisations
Liens
Coût total
€ 1 498 875,00

Bénéficiaires (1)