Propagation des photons comme une sonde pour la physique fondamentale

Photon propagation as a probe for fundamental physics

• Auteur / Autrice : Matteo Galaverni
• Direction : Günter Sigl, Nazzareno Mandolesi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et méthodes associées
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fond diffus cosmologique

Relativité (physique)

Matière noire (astronomie)

Énergie sombre (astronomie)

Résumé

Dans cette thèse, nous montrons comment la propagation de la lumière peut être utilisée en vue de contraindre les modèles de physique des particules au-delà du modèle standard. Nous étudions les effets de la physique non standard sur la polarisation du rayonnement du fond diffus cosmologique et sur le flux de photons d'ultra-haute énergie. Dans la première partie nous discutons les effets sur la polarisation du fond diffus cosmologique du couplage entre les photons et les champs pseudoscalaires, qui agissent en tant que matière noire (par exemple les axions) ou en tant que énergie noire (par exemple les pseudobosons ultra-légers de Nambu-Goldstone). En particulier, nous décrivons comme le public CAMB code peut être modifié afin de prendre en compte la rotation du plan de polarisation linéaire à partir de la surface de dernière diffusion jusqu'à maintenant, produite par la propagation des photons dans un fond cosmologique de particules pseudoscalaires. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous utilisons la limite supérieure courante sur le flux de photons d'ultra-haute énergie afin de contraindre les conditions qui violent l'invariance de Lorentz dans les relations de dispersion pour les particules élémentaires. Les théories qui tentent d'unifier la mécanique quantique avec la relativité générale prédisent en effet que la symétrie de Lorentz doit être modifié à des énergies de l'ordre de l'échelle de Planck. Nous étudions en particulier comment il est possible contraindre les conditions qui violent l'invariance de Lorentz pour les photons et les électrons en améliorant les contraintes actuelles de plusieurs ordres de grandeur.

In the first part we discuss the effects on cosmic micro wave background polarization of coupling between photons and pseudoscalar fields acting as dark matter (e. G. Axions) or as dark energy (e. G. Ultralight pseudo Nambu-Goldstone bosons). In particular we describe how the public code CAMB can be modified in order to take into account the rotation of the linear polarization plane from last scattering surface to nowadays, produced by photon propagation in a cosmological background of pseudoscalar partie les. Polarization power spectra are compared with the ones obtained in the widely used approximation in which the rotation angle is assumed constant in time. We show how polarization-polarization and temperature-polarization angular power spectra can be very useful to constraint the coupling constant Sg_\phiS between photons and pseudoscalars. In the second part of this thesis we use the current upper limits on the flux of ultrahigh-energy photons in order to constraint Lorentz invariance violating ternis in the dispersion relations for elementary particles. Theories trying to unify quantum mechanics with general relativity and many supersymmetry models predict indeed that Lorentz symmetry has to be modified at energies of the order of the Planck scale. If standard dispersion relations of elementary particles are modified, then the propagation and therefore also the energy spectrum of ultrahigh-energy cosmic rays can be considerably changed. We study in particular how it is possible to constrain Lorentz invariance violating terms for photons and electrons (suppressed both at first and second order of the Planck mass) improving current constraints by several orders of magnitude.