Scenarios de nouvelle physique pour la matière noire

New physics scenarios for dark matter

• Auteur / Autrice : Marco Palmiotto
• Direction : Alexandre Arbey, Farvah Mahmoudi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Corinne Augier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Arbey, Farvah Mahmoudi, Geneviève Bélanger, Chiara Arina, Nicolao Fornengo, Yann Mambrini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Bélanger, Chiara Arina
• DOI : 10.70675/2ac6c762z2037z4bf8za645z0f77090d8d9b

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière noire (astronomie)

Analyse informatique

Amplitude de diffusion (physique)

Cosmologie

Particules (matière)

Mots clés libres

Matière noire

Densité relique

Physique des particules

BSM

Supersymétrie

Logiciel

Dark matter

Relic density

Particle physics

BSM

Supersymmetry

Software

Résumé

La question de la nature de la matière noire est un sujet important à la fois en physique des particules et en cosmologie. Pendant des décennies, le scénario de nouvelle physique (NP) le plus étudié offrant un candidat à la matière noire a été l’extension supersymétrique minimale du modèle standard (MSSM), pour lequel plusieurs logiciels ont été développés pour calculer les observables de la matière noire. Cependant, jusqu’à présent, aucune particule supersymétrique n’a été découverte dans les expériences de physique des particules, et d’autres scénarios de NP méritent d’être étudiés. Dans ce contexte, le logiciel SuperIso Relic, qui vise à étudier les observables de la matière noire dans le modèle cosmologique standard et dans des scénarios cosmologiques alternatifs, a jusqu’à présent été axé sur le MSSM et le NMSSM, et est en cours de développement afin d’étudier d’autres scénarios de NP. Pour atteindre cet objectif, il a besoin d’une nouvelle manière de gérer le calcul des éléments de matrice, car il repose sur un code FormCalc auto-généré, qui n’est donc pas conçu pour être généralisé. Un effort dans la direction de la généralisation et de l’automatisation des calculs a déjà été réalisé grâce au développement du code MARTY, qui permet le calcul automatique des amplitudes, des sections efficaces et des coefficients de Wilson dans une grande variété de modèles de NP jusqu’au niveau des boucles. Cependant, une étape supplémentaire est nécessaire, afin de calculer les observables de la matière noire, telles que la densité relique de la matière noire, qui peut impliquer des milliers d’amplitudes de diffusion. Dans ce travail, nous présentons le package DarkPACK, qui permet de générer automatiquement une bibliothèque numérique d’amplitudes de diffusion pour calculer les observables de la matière noire tels que la densité relique, et qui est interfacé avec SuperIso Relic v4.1. Avec DarkPACK, nous proposons un outil capable de gérer par lui-même toutes les étapes, de la définition du modèle, à la génération de la somme des amplitudes au carré, et au calcul des observables liées à la matière noire. DarkPACK se veut exhaustif, dans le sens où nous évitons les étapes d’input et d’output inutiles. Parmi les avantages de cette approche, il y a une plus grande flexibilité dans l’utilisation du code. En effet, il est plus facile de modifier un algorithme s’il est écrit dans un cadre exhaustif préétabli. Pour ces raisons, nous avons choisi de nous appuyer sur MARTY pour la construction du modèle et les manipulations symboliques. Néanmoins, il est essentiel d’avoir la modularité comme une fonctionnalité, car cela permet une liaison facile avec des logiciels externes si nécessaire.

The question of the nature of dark matter is an important topic in both particle physics and cosmology. For decades, the most studied New Physics (NP) scenario providing a dark matter candidate has been the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM), for which a lot of software have been developed to compute dark matter observables. However, so far no supersymmetric particle has been discovered in particle physics experiments, and other NP scenarios are worth being investigated. In this context, the software SuperIso Relic, which computes dark matter observables in the standard cosmological model and in alternative cosmological scenarios, is until now focused on the MSSM and NMSSM, and is being developed in order to study other NP scenarios. To achieve this purpose, it needs a new way of handling the computation of matrix elements, since it relies on a self-generated FormCalc code, therefore not meant to be particularly generalised. An effort in the direction of generalising and automating the computations has already been performed through the development of the code MARTY, which allows for the automatic calculation of amplitudes, cross-sections and Wilson coefficients in a large variety of NP models up to the one-loop level. However, a step further is needed to compute dark matter observables, such as dark matter relic density, which can involve thousands of scattering amplitudes. In this work, we present the package DarkPACK, which automatically generates a numerical library of scattering amplitudes to compute dark matter observables such as relic density, and which is interfaced with SuperIso Relic. With DarkPACK, we propose a tool that can handle by itself all the steps from the definition of the model to the output of the sum of the squared amplitudes and the computation of dark matter related observables. DarkPACK is intended to be comprehensive, in the sense that we avoid unnecessary passages of input and output. Among the advantages of this approach, there is a larger flexibility in the code usage. In fact, it is easier to modify an algorithm if it is written in a pre-established comprehensive framework. For such reasons we have chosen to rely on MARTY for the model building and the symbolic manipulations. Nevertheless, it is crucial to have modularity as a feature, since this enables an easy linking with external softwares if needed.