Au-delà du modèle standard: phénoménologie de matière noire exotique et contraintes du LHC

par Gaël Alguero

Projet de thèse en Physique Théorique

Sous la direction de Sabine Kraml et de Genevieve Belanger.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie (laboratoire) depuis le 30-09-2019 .


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse est de considérer des scénarios concrets au-delà du MS et au-delà des modèles usuellement étudiés. Cela consistera à mesurer les implications des collisionneurs sur le secteur sombre de tels scénarios. Outre une phénoménologie détaillée, un autre aspect primordial sera l'extension des outils numériques actuels pour le traitement systématique des paramètres des différents modèles. D'une part, il y aura implémentation des modèles en question (notamment leurs propriétés concernant la matière noire) dans micrOMEGAs et d'autre part, l'inclusion des résultats expérimentaux nécessaires du LHC dans les base de données d'outils de réinterprétation comme SModelS ou MadAnalysis. Les recherches de nouvelles particules à longue durée de vie au LHC seront particulièrement pertinentes dans ce contexte, étant donné que de telles particules apparaissent dans des modèles de matière noire ou plus généralement dans des théories au-delà du MS. Pour établir de nouvelles contraintes sur la matière noire dans les théories au-delà du MS, et dans la continuité du stage de master 2, le point de départ de la thèse sera de revisiter les contraintes sur deux modèles (neutralino et doublet de matière noire inerte) en réinterprétant des analyses de CMS et ATLAS. Ceci sera sera ensuite étendu pour prendre en compte les contraintes sur des particules à longue durée de vie. La seconde étape sera d'étudier des modèles de matière noire non-WIMP interagissant très faiblement et donc très peu couplé avec le MS. Ce genre de matière noire ne pourrait atteindre d'équilibre thermique avec les particules du MS et impliquerait des mécanismes différents à considérer pour calculer la densité actuelle (densité relique) de matière sombre dans l'univers. Pour de tels scénarios, les études actuelles se basent sur des hypothèse de simplifications et le traitement de leurs espaces de paramètres est loin d'être exhaustif. Cela implique la généralisation du calcul de la densité relique de matière noire pour un éventail plus large de modèles et l'étude des implications aux niveaux des recherches par ATLAS et CMS ainsi que des nouveaux détecteurs dédiés aux particules légères ou à longues durée de vie, par exemple FASER.

  • Titre traduit

    Beyond the Standard Model: phenomenology and LHC constraints of exotic dark matter


  • Résumé

    It is the aim of this thesis project to explore the collider and dark matter implications of concrete, well-motivated BSM scenarios which go beyond the standard paradigms usually considered in the literature. Besides working out the detailed phenomenology, an important aspect will be the extension of our current numerical tools necessary for systematic studies of the parameter spaces of such models. On the one hand, this concerns the implementation of the relevant models, and notably the treatment of DM properties beyond the thermal WIMP picture, in micrOMEGAs. On the other hand, the relevant LHC constraints need to be included in LHC interpretation tools such as SModelS or MadAnalysis. Especially relevant in this context will be LHC signatures with new long-lived particles, which arise in dark matter models, or more generally in BSM scenarios, with very small couplings and/or mass splittings. With the goal to establish up-to-date constraints on dark matter in concrete BSM models, and in a direct continuation from the master-2 internship, the starting point for the thesis will be to revisit the constraints on neutralino and Inert Doublet DM, recasting the ATLAS and CMS searches in final states with leptons and missing energy. This will then be extended to include LHC constraints on displaced vertex and disappearing track signatures. The latter are particularly relevant for testing DM with mass of several hundred GEV's in the Inert Doublet Model, which requires small mass splittings to achieve the correct relic density; they are also relevant in specific regions of parameter space of many other DM models. The second step will consist in the study of non-WIMP dark matter models. Here we will concentrate on scenarios where the DM is so weakly coupled to the SM that it cannot reach thermal equilibrium in the early universe; DM production then proceeds via the so-called « freeze-in » mechanism. This mechanism is not, as was the case for freeze-out, naturally bound to the weak scale and therefore opens the possibility for DM much below the GeV scale. Moreover the dark sector can consist of more than one particle and several mechanism can come into play. For such non-standard scenarios, current studies are often based on simplifying assumptions and the coverage of their theoretical and phenomenological parameter space is far from complete. In this thesis project we therefore aim at a more complete treatment. This entails on the one hand generalising the computation of the relic density to a larger class of models, in particular models with extended dark sectors, and on the other hand working out the implications for collider searches including both the relevant searches for new physics performed by the ATLAS and CMS collaborations as well as searches for very light or long-lived particles with new detectors, e.g. with FASER.