Sonder la nouvelle physique au-delà du modèle standard : axions, saveurs et neutrinos

Probing new physics beyond the standard model : axions, flavor, and neutrinos

• Auteur / Autrice : Gioacchino Piazza
• Direction : Asmâa Abada
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 28/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Samuel Wallon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Belén Gavela Legazpi, Gino Isidori, Alessandra Tonazzo, Giovanni Villadoro
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Belén Gavela Legazpi, Gino Isidori

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique au-delà du modèle standard

Neutrinos

Saveur des quarks

Dynamique quantique de la saveur

Axions

Mots clés libres

Axions

Saveur

Neutrinos

Au-delà du modèle standard

Axions

Flavor

Neutrinos

Beyond the standard model

Résumé

Dans cette thèse de doctorat, plusieurs aspects phénoménologiques liés à l'origine des masses des neutrinos, à la physique des saveurs, ainsi qu'au problème de la violation de la symétrie CP par l'interaction forte, ont été étudiés. Dans le chapitre 2, après une introduction au Modèle Standard (MS), nous développons plus en détail les observations expérimentales et les questions théoriques présentes exigeant la présence d'une physique au-delà du Modèle Standard de la physique des particules. Le chapitre 3 se concentre sur l'origine des masses des neutrinos et leur mélange en considérant l'hypothèse de l'existence de leptons neutres lourds (HNLs). Une attention particulière est accordée aux recherches expérimentales des HNLs, notamment aux contraintes sur leurs masses et leurs couplages déduites des collisions proton-proton étudiées au LHC. Plus précisément, à travers plusieurs processus recherchés au LHC (ATLAS, CMS et LHCb), nous soulignons que les bornes provenant des recherches au collisionneur sont souvent basées sur des hypothèses trop simplistes. Dans cette partie de la thèse, nous montrons comment reformuler ces contraintes afin de couvrir des modèles réalistes avec plusieurs HNLs et des couplages plus généraux au secteur actif. Le chapitre 4 est consacré à la physique de la saveur comme moyen d'explorer la physique au-delà du Modèle Standard par des expériences à basse énergie. En particulier les désintégrations rares du meson B, notamment B → K ⁽*⁾νν, sont étudiées et analysées en détail. Pour ces canaux nous apportons des prédictions théoriques les plus abouties et que nous avons enrichi par une analyse générique de l'impact de la nouvelle physique sur les largeurs des désintégrations. Le point problématique de cette analyse reste le traitement des incertitudes liées à la chromodynamique quantique non-perturbative. Pour les prendre en compte, nous montrons qu'une mesure des largeurs partielles permettraient de tester la dépendance fonctionnelle des facteurs de forme en énergie de transfert (q²). Dans le chapitre 5, les conséquences phénoménologiques de la solution au problème de brisure de la symétrie CP par l'interaction forte sont étudiées en termes de particules appelées axions. Un accent particulier est mis sur l'hypothèse selon laquelle les axions pourraient être les particules (candidats) de la matière noire chaude (HDM). Une nouvelle détermination phénoménologique de la section efficace de diffusion axion-pion dans l'Univers jeune est fournie dans cette thèse. Cette détermination utilise les données de diffusion ππ → ππ et les amplitudes calculées dans la théorie des perturbations chirales, dont l'applicabilité est étendue dans la région des résonances par une méthode d'unitarisation. Le résultat ainsi obtenu permet d'obtenir une borne sur la masse de l'axion, également connue sous le nom de borne HDM. Un résumé des résultats obtenus dans cette thèse est présenté dans le chapitre 6, où nous discutons également de quelques pistes possibles pour poursuivre et approfondir davantage la recherche abordée dans ce travail.

In this doctoral thesis, several phenomenological aspects related to the origin of neutrino masses, to flavor physics, as well as to the problem of the violation of CP symmetry by the strong interaction, have been studied. In chapter 2, after an introduction to the Standard Model (SM), we develop in more detail the experimental observations and the open theoretical questions requiring the presence of physics beyond the Standard Model. Chapter 3 focuses on the origin of neutrino masses and their mixing considering the hypothesis of the existence of heavy neutral leptons (HNLs). Particular attention is paid to the experimental research of HNLs, in particular to the constraints on their masses and their couplings deduced from the proton-proton collisions studied at the LHC. More specifically, through several processes researched at the LHC (ATLAS, CMS and LHCb), we point out that the bounds coming from collider searches are often based on overly simplistic assumptions. In this part of the thesis, we show how to reformulate these constraints in order to cover realistic models with several HNLs and more general couplings to the active sector. Chapter 4 is devoted to the physics of flavor as a means of exploring the physics beyond the Standard Model through low-energy experiments. Especially the rare decays of the meson B, notably B → K ⁽*⁾νν, are studied and analyzed in detail. For these channels we provide the most successful theoretical predictions, which we have enriched with an analysis of the impact of new physics on the decay widths. The problematic point of this analysis remains the treatment of uncertainties related to non perturbative QCD. We show that a measure of the partial widths would make it possible to test the functional dependence of the form factors on the momentum transfer, (q²). In chapter 5, some phenomenological consequences of the solution to the strong CP problem are studied in terms of particles called axions. Particular emphasis is placed on the hypothesis that axions could form a population of hot dark matter (HDM). A new phenomenological determination of the axion-pion scattering rate in the early Universe is provided in this thesis. This determination uses the ππ → ππ scattering data and the amplitudes calculated in chiral perturbation theory, the applicability of which is extended in the resonance region by a unitarization method named inverse amplitude method. The result thus obtained makes it possible to obtain a bound on the mass of the axion, also known as the HDM bound. A summary of the results obtained in this thesis is presented in chapter 6, where we also discuss some possible avenues to continue and further deepen the research addressed in this work.