Nouvelle physique entre cosmologie et le LHC : axions, neutrinos et Z'

par Martin Elmer

Thèse de doctorat en Physique théorique. Physique des particules

Sous la direction de Sacha Davidson.

Soutenue le 18-09-2014

à Lyon 1 , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Institut de physique nucléaire (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Jules Gascon.

Le jury était composé de Michele Frigerio.

Les rapporteurs étaient Georg G. Raffelt, Julien Lesgourgues.


  • Résumé

    Pendant mes trois ans de doctorat j'ai eu le plaisir de travailler sur trois projets très variés ayant un but commun: mieux contraindre certains modèles de nouvelle physique entre cosmolo- gie et le LHC. Le fait que les densités reliques de matière noire et de baryons sont similaires semble indiquer qu'il y a un lien entre les deux. Nous essayons d'expliquer les valeurs observées en reliant un modèle de leptogenèse au miracle des WIMPs, qui produit naturellement la bonne densité relique. Si l'asymétrie baryonique est produit dans des désintégrations hors équilibre à l'échelle électro-faible et si la matière noire est constituée de WIMPs, les deux densités reliques sont con- trôlées par des processus électro-faibles hors équilibre. Je construis un modèle de leptogenèse à l'échelle du TeV en utilisant une extension du type seesaw inverse du modèle standard avec des singlets additionnels. Pour produire suffisamment d'asymétrie baryonique il faut une violation CP ∼ O(1) qui est difficile à obtenir dans mon cadre. Les axions, tout comme les WIMPs sont de bons candidats de matière noire bien motivés. Il serait très utile de pouvoir les distinguer. Sikivie argumente que si des axions sont dans un condensat de Bose-Einstein, alors ils forment des halos galactiques différents des halos de WIMPs. D'après Sikivie ce sont les interactions gravitationnelles qui thermalisent les axions et qui les condensent. La formation d'un condensat nécessite la génération d'entropie qui ne peut pas être fourni par les interactions gravitationnelles au premier ordre. J'étudie la génération d'entropie par les interactions gravitationnelles en estimant une longueur de dissipation dans le fluide d'axions qui vient de la présence d'une pression anisotrope. Je ne peux pas confirmer la thermalisation rapide d'axions causé par leurs interactions gravitationnelles. Des nouveaux bosons de jauges comme le Z' apparaissent dans un grand nombre d'extensions du modèle standard. On les recherche le plus souvent comme une résonance dans le spectre de masse invariante de leurs produits de désintégration. Le Z' doit être produit sur couche de masse dans ces recherches résonantes. Mais la présence d'un Z' peut aussi influencer d'autres observ- ables cinématiques sans être produit directement, ce qu'on peut utiliser dans des recherches non-résonantes. Je compare ces deux types de recherches au LHC et trouve que pour des petits couplages les recherches résonantes sont plus adaptées mais pour de plus grandes masses et couplages les recherches non-résonantes sont plus performantes

  • Titre traduit

    New physics between Cosmology and the LHC : axions, neutrinos et Z'


  • Résumé

    During the three years as a PhD student I had the pleasure to work on three major projects which are united in the goal to better constrain new physics models between cosmology and the LHC. The similar values of dark matter and baryon relic abundances raise the question whether there is a link between them. We attempt to explain the observed values by relating leptogenesis to the WIMP miracle which gives naturally the right relic abundance. If the baryon asymmetry is produced in electroweak-scale-out-of-equilibrium decays and dark matter is made of WIMPs, both relic densities are controlled by electroweak scale interactions going out of equilibrium. We construct a TeV-scale leptogenesis model using an inverse-seesaw extension of the SM with additional singlets. To produce a large enough asymmetry we require CP violation ∼ O(1) which is difficult to achieve in our set-up. Axions as well as WIMPs are well motivated dark matter candidates. It would be very useful to be able to tell them apart. Sikivie argues that if axions are in a Bose-Einstein condensate they could form a different galactic dark matter halo than WIMPs and that gravitational interactions drive axions into a Bose-Einstein condensate. However for the formation of such a condensate entropy generation is needed which leading order gravitational interactions do not provide. We explore the entropy generation of gravitational interactions by estimating a dissipation scale in the axion fluid due to the presence of a anisotropic stress. We cannot confirm a fast gravitational thermalisation rate. New neutral gauge bosons like the Z' are generic extensions of the standard model which appear in many different models. Traditionally these particles are searched for in resonant searches at colliders, i.e. by producing the particles on-shell and looking for a resonance in the invariant mass spectrum of their decay products. However the presence of a Z' can also affect other kinematic observables without being actually produced on-shell, i.e. non-resonant searches. We compare compare resonant and non-resonant searches at the LHC and find that while for small couplings resonant searches are more sensitive, for larger couplings non-resonant searches are more efficient


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