Contraintes expérimentales sur des modèles avec champ scalaire léger dans le secteur sombre en cosmologie et physique des particules

Experimental Constraints on Dark Sector Models with light Scalar Field in Cosmology and Particle Physics

• Auteur / Autrice : Clément Leloup
• Direction : Marc Besancon, Vanina Ruhlmann-Kleider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 26/09/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de Physique Nucléaire (Saclay)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Dirk Zerwas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Besancon, Vanina Ruhlmann-Kleider, Dirk Zerwas, Suzanne Gascon-Shotkin, David Langlois, Cédric Deffayet, Alexandre Barreira
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Suzanne Gascon-Shotkin, David Langlois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centre européen pour la recherche nucléaire

Fond diffus cosmologique

Énergie sombre (astronomie)

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Matière noire

Branon

Cms

Energie noire

Galiléon

Rayonnement fossile

Dark Matter

Branon

Cms

Dark Energy

Galileon

Cosmic Microwave Background

Résumé

Les travaux présentés dans cette thèse contraignent les paramètres d'un modèle de cosmologie, le modèle du galileon, et d'un modèle de physique des particules, le modèle du branon, qui sont des extensions des modèles standards. Ces modèles, qui supposent l'existence d'un champ scalaire additionnel et peuvent trouver leurs origines dans les théories à dimensions supplémentaires, offrent des explications élégantes aux questions de la nature de l'énergie noire et de la matière noire respectivement. La première partie de cette thèse présente les prédictions du modèle du galileon et les résultats obtenus par leur comparaison aux observations cosmologiques et astrophysiques récentes. Cette étude montre que le modèle du galileon a de sérieuses difficultés à reproduire ces observations, qui regroupent le fond diffus cosmologique, les mesures liées aux distances cosmologiques, et l'observation d'un évènement par ondes gravitationnelles et contrepartie électromagnétique. La seconde partie décrit la recherche de branons dans les collisions proton-proton enregistrées en 2016 par le Solénoïde Compact à Muons au Grand Collisionneur de Hadrons, à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Des évènements qui présentent un jet de haute énergie, produit par un quark ou gluon ou bien par désintégration hadronique d'un boson vecteur, et de l'énergie transverse manquante dans l'état final sont sélectionnés et comparés aux estimations pour les évènements de bruits de fond. Aucun excès d'évènements n'est observé, ce qui permet de poser des contraintes sur les valeurs possibles des paramètres du modèle du branon.

This PhD thesis presents constraints on the parameters of a cosmological model, the galileon model, and a particle physics model, the branon model. Both are extensions of the standard models that include an additional scalar field and that can be built from extra dimensions theories. The galileon model propose an alternative to the cosmological constant as the nature of dark energy, and the branon model give a dark matter particle candidate. The first part of this thesis shows the predictions of the galileon model and the results obtained from their comparison with recent cosmological and astrophysical observations. The set of observations used contains the cosmic microwave background, cosmological distances measurements and the detection of gravitational waves along with their electromagnetic counterpart from the merger of a binary star system. The study shows that the galileon model has serious difficulties to reproduce these observations. The second part describe the search for branons in proton-proton collisions data at 13 TeV collected in 2016 with the Compact Muon Solenoid at the Large Hadron Collider. Events with high energy jets, produced by a quark, a gluon or a vector boson decaying hadronically, and missing transverse energy in the final state are selected and compared to background estimations. No excess of event has been found allowing for experimental constraints to be put in the parameter space of the branon model.