Neutrinos, transitions de phase cosmologiques et asymétrie matière-antimatière de l'Univers

Neutrinos, cosmological phase transitions and the matter-antimatter asymmetry of the Universe

• Auteur / Autrice : Rémi Faure
• Direction : Philippe Brax, Stéphane Lavignac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique théorique (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1982-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Asmâa Abada
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Hambye, Pilar Hernández Gamazo, Sacha Davidson, Aldo Deandrea
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Hambye, Pilar Hernández Gamazo
• DOI : 10.70675/3da3a574z85daz4469zb864zf09d8c4ed9dd

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrinos lourds

Expansion de l'univers

Antimatière

Mots clés libres

Neutrinos stériles

Transitions de phase cosmologiques

Leptogénèse ARS

Leptogénèse résonante

Sterile neutrinos

Cosmological phase transitions

ARS leptogenesis

Resonant leptogenesis

Résumé

L'asymétrie entre matière et antimatière est un problème non résolu de la cosmologie. Une approche populaire pour l'expliquer est la leptogénèse avec des neutrinos stériles, qui sont des particules motivées expérimentalement pour expliquer les masses des neutrinos actifs du Modèle Standard. Il est possible d'inclure dans les scénarios de leptogénèse une transition de phase cosmologique qui donne leur masse aux neutrinos stériles. Cette idée est intéressante phénoménologiquement, car une transition de phase produit des ondes gravitationnelles pouvant être détectées. À la température de la transition de phase T, les neutrinos stériles obtiennent une masse M. Deux mécanismes sont considérés. Pour des neutrinos stériles non-relativistes M>T déviant de l'équilibre lors de la transition de phase, l'asymétrie leptonique est créée lors de leurs désintégrations. La rapidité de la transition permet d'avoir une population de neutrinos stériles initiale plus importante que dans le cas standard et améliore la création d'asymétrie. L'analyse numérique permet de décrire l'espace des paramètres où la leptogénèse est réussie. Pour des neutrinos stériles relativistes M<T, l'asymétrie est créée, lors de leur production, par des oscillations entre les différentes saveurs stériles. Selon les paramètres, ces oscillations, avec une transition de phase, peuvent être qualitativement différentes du cas standard. Les conditions pour que la transition de phase présente un avantage sont discutées et présentées numériquement et analytiquement.

The baryon asymmetry in our Universe is an unsolved problem in cosmology. A popular approach for explaining it is leptogenesis with sterile neutrinos, which are particles motivated in order to explain the masses of active neutrinos in the Standard Model. It is possible to include in these scenarios a cosmological phase transition which gives rise to the sterile neutrino masses. This idea is phenomenologically interesting, as such a phase transition could produce detectable gravitational waves. At the temperature T of the phase transition, sterile neutrinos acquire a mass M. Two mechanisms are considered. For non-relativistic sterile neutrinos M>T, deviating from equilibrium due to the phase transition, they will quickly decay and produce a lepton asymmetry. The rapidity of the phase transition allows a larger sterile neutrino population than in usual scenarios and enhances the created asymmetry. Numerical analyses describe the successful regions in parameter space for leptogenesis. For relativistic sterile neutrinos M<T, the asymmetry is created by flavor oscillations in the sterile sector, as sterile neutrinos are being produced. Depending on the parameters, these oscillations, in the context of a phase transition, can be qualitatively different from the standard case. We discuss the parameter space where the phase transition presents an advantage, both analytically and numerically.