Modèles quasi-minimaux de matière noire électrofaible

Near-minimal models of electroweak dark matter

• Auteur / Autrice : Ronan Ruffault
• Direction : Felix Brümmer, Julien Lavalle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/11/2018
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Univers et Particules de Montpellier (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Jean Orloff
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Felix Brümmer, Julien Lavalle, Jean Orloff, Geneviève Bélanger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Orloff, Geneviève Bélanger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière noire (astronomie)

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

Lhc

Matière sombre

Well tempered

Matière noire

Densité relique

Détection directe

Lhc

Dark matter

Well tempered

Black matter

Relic density

Direct detection

Résumé

Le Modèle Standard de la physique des particules est une théorie robuste à l'échelle électro-faible. Cependant, ce dernier possède des lacunes. Par exemple il ne permet pas d'expliquer la matière sombre, qui est une des problématiques majeures de la physique moderne. Près de 85% de la matière présente dans l'Univers n'est pas expliquée par le Modèle Standard. On l’appelle la matière sombre. Cette thèse présente une catégorie de modèles s'adressant à la problématique de la matière sombre. Ceux-ci s'appuient sur le paradigme du WIMP, qui nous enseigne qu'une particule neutre avec une section efficace électro-faible et une masse électro-faible explique à peu près l'abondance relique observée. Néanmoins, une analyse plus approfondie révèle que cette correspondance n'est en fait pas très précise puisque des masses multi-TeV pour la matière sombre sont nécessaires pour les modèles les plus simples, ce qui est 1-2 ordres de grandeur plus grand que l’échelle électro-faible. Cependant, avec un secteur sombre étendu, il est possible de maintenir la masse de la matière sombre proche de l’échelle électro-faible tout en gardant la densité relique observée. Ma thèse présente des modèles effectifs simples de matière sombre fermionique du type WIMP, ou le candidat de matière sombre est issu du mélange entre un singlet du Modèle Standard et d'un n-plet de SU(2)×U(1). La particule de matière sombre est supposée avoir une masse de l'ordre de l'échelle électro-faible, et le mélange est généré par des opérateurs de dimensions supérieures impliquant le doublet de Higgs. Lorsque la symétrie électro-faible est brisée, le boson de Higgs acquiert sa valeur moyenne dans le vide et des matrices de masse non-diagonales sont générées dans le secteur sombre. Cela engendre un mélange entre les états du secteur sombre, et les états physiques ainsi que leur masse sont obtenus en diagonalisant les matrices de masse. Pour des valeurs appropriées des paramètres, il est toujours possible d’accommoder le mélange afin de reproduire la densité relique mesurée. On parle de "well-tempered mixing" ou mélange correctement ajusté en français. Afin de stabiliser la particule de matière sombre, on doit ajouter une symétrie sous laquelle le secteur sombre est impair et le Modèle Standard est pair. Pour n impair, le n-plet est un multiplet de Majorana d'hypercharge nulle. Pour n pair, on considère un bi-multiplet d'hypercharge opposée ± 1/2 de sorte à ce qu'il forme un spineur de Dirac. On se focalise sur les contraintes liées à la densité relique et à la détection directe pour les configurations singlet-triplet, singlet-quadruplet et singlet-quintuplet. Notons que les contraintes de la détection indirecte sont moins fortes que celles issues de la détection directe. On impose une masse électro-faible pour la matière sombre afin qu'elle puisse être produite au LHC. Les résultats montrent qu'il est toujours possible de trouver un espace des paramètres, avec une masse électro-faible pour la matière sombre et redonnant la densité relique observée, qui passe les contraintes de détection directe et a fortiori indirecte. Dans la région de validité de la théorie effective, la détection directe est moins contraignante pour les grandes représentations du n-plet à cause du très faible mélange.

The Standard Model of particles physics is a well-tested theory at the electroweak scale. However this is not the end of the story. For instance, it does not solve the dark matter problem, which is one of the major issues of the modern physics. About 85% of the matter in the Universe is not describe by the Standard Model. It is called dark matter. This thesis presents a category of models responding to the dark matter problem. These models are based on the WIMP-paradigm, stating that a neutral particle with an electroweak cross-section and with an electroweak-scale mass roughly explains the observed relic abundance. Nevertheless, a closer look reveals that this correspondence is quantitatively not very precise since multi-TeV dark matter masses are required for the simplest models, which is 1-2 orders of magnitude larger than the electroweak scale. However, with an extended dark sector, it is possible to maintain the dark matter particle mass close to the electroweak scale and to keep the observed relic density. My thesis discloses simple effective models of fermionic WIMP dark matter, where the dark matter candidate is a mixture of a Standard Model singlet and an n-plet of SU(2)×U(1). The dark matter is assumed to be aroundthe electroweak scale, and the mixing is generated by higher-dimensional operators involving the Higgs doublet. Upon electroweak symmetry breaking, the Higgs takes its vacuum expectation value and non diagonal mass matrices are generated for the dark matter sector. This causes mixing between dark matter sector states, and physical states and masses are obtained by diagonalising the mass matrices. For suitable parameters, it is always possible to adjust the mixing to reproduce the observed relic density. This is reffered to as a well-tempered mixing. In order to stabilise the dark matter particle, we need to add a discrete symmetry under which the dark matter sector is odd and the Standard Model is even. For n odd, the n-plet is a Majorana multiplet with zero hypercharge. For n even, we consider a bi-multiplet with opposite hypercharges of ± 1/2 such as to form a Dirac spinor. We focus on the observed relic density and the direct detection constraints for the singlet-triplet, singlet-quadruplet and singlet-quintuplet configurations. Note that bounds from indirect detection are less stringent than those from direct detection. We impose electroweak mass for the dark matter particle such that it could be produced by the LHC. Results show that it is always possible to find a choice of parameters reproducing the observed relic density with an electroweak dark matter mass which conforms to the direct and a fortiori indirect detection constraints. In the region of validity of the effective theory, direct detection is less constraining for higher representations of the n-plet due to the tiny mixing.