Aspects des transitions de phase cosmologiques du premier ordre : propagation des enveloppes ultra-relativistes, matière noire lourde et baryogénèse

Aspects of cosmological first order phase transitions : propagation of ultra-relativistic shells, heavy dark matter, and baryogenesis

• Auteur / Autrice : Maximilian Dichtl
• Direction : Marco Cirelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/06/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique théorique et hautes énergies (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Sacha Davidson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julia Harz, Sébastien Renaux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Aleksandr Azatov, Djuna Lize Croon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Laser interferometer space antenna (satellite artificiel)

Baryons

Matière noire (astronomie)

Transitions de phases

Mots clés libres

Matière noire

Cosmologie

Baryogénèse

Violation de CP

Transition de phase

Dark Matter

Cosmology

Baryogenesis

CP violation

Phase Transition

Résumé

Les transitions de phase du premier ordre (PT) dans l'univers primitif se produisent par la nucléation de bulles dont les parois peuvent se dilater à des vitesses ultra-relativistes. Les interactions du bain thermique à la paroi produisent des particules qui s'accumulent dans des coquilles à la paroi. Les coquilles évoluent jusqu'à ce qu'elles entrent en collision avec celles des bulles voisines. Dans cette thèse, nous étudions d'abord l'évolution de ces coquilles, en incluant pour la première fois les interactions de changement de nombre de la coquille à l'intérieur d'elle-même et avec le bain thermique. En particulier, nous calculons les taux des processus de diffusion 3 → 2 dominants, et nous trouvons qu'ils peuvent être plus importants que tous les autres processus considérés dans la littérature précédente. Nous identifions les régions de l'espace des paramètres du PT où les coquilles sont libres, c'est-à-dire qu'elles ont des interactions négligeables en elles-mêmes et avec le bain. Nous utilisons ensuite ces résultats pour prédire la vitesse et l'énergie avec lesquelles les particules de bulles opposées entrent en collision. Nous constatons que ces collisions de particules peuvent atteindre des énergies de diffusion bien supérieures à l'échelle du PT, qui peuvent à leur tour être utilisées pour produire des particules hautement énergétiques ou des particules bien plus lourdes que l'échelle du PT, réalisant ainsi un ''bubbletron'' cosmologique. À titre d'exemple, nous montrons que l'on peut produire de la matière noire lourde avec des masses supérieures à 10^3 TeV pour des échelles de PT d'environ 10 MeV, et avec des masses supérieures à l'échelle du GUT pour des échelles de PT supérieures à environ 10^9 GeV. Les PT avec des parois ultra-relativistes sont également pertinents pour tout autre processus reposant sur la production de particules hors équilibre. Si l'interaction entre les particules de la coquille viole également le nombre de baryons, C et CP, alors les trois conditions de Sakharov sont remplies et l'on peut utiliser ces PT pour expliquer l'asymétrie des baryons dans l'univers. Pour ce faire, nous proposons un mécanisme de baryogénèse à partir de PT confinants surfondus. Nous calculons également la signature des ondes gravitationnelles dues aux PT dans tous les scénarios susmentionnés. Nous constatons qu'elles pourraient être observées par les réseaux de synchronisation des pulsars et les interféromètres d'ondes gravitationnelles comme LISA et le télescope d'Einstein, établissant ainsi un nouveau lien entre ces télescopes et l'origine possible de la matière noire et de l'asymétrie des baryons dans l'univers.

First order phase transitions (PT) in the early universe happen via the nucleation of bubbles whose walls can expand at ultra-relativistic velocities. Interactions of the thermal bath at the wall produce particles which accumulate in shells at the wall. The shells evolve until they collide with those from neighboring bubbles. In this thesis we first study the evolution of these shells, including for the first time number changing interactions of the shell within itself and with the thermal bath. In particular, we calculate the rates of the dominant 3 → 2 scattering processes, and find they can be more important than all other processes considered in previous literature. We identify the regions of parameter space of the PT where the shells free stream, i.e. they have negligible interactions within themselves and with the bath. We then use these results to predict the rate and energy with which particles of opposite bubbles collide. We find that these particle collisions can reach scattering energies much larger than the scale of the PT, which in turn can be used to produce highly energetic particles or particles much heavier than the scale of the PT, realising a cosmological 'bubbletron'. As an example, we show that one can produce heavy dark matter with masses above 10^3 TeV for scales of the PT of around 10 MeV, and with masses above the GUT scale for scales of the PT above about 10^9 GeV. PTs with ultra-relativistic walls are also relevant for any other process relying on out-of-equilibrium particle production. If the interaction between particles in the shell also violates Baryon number, C, and CP, then all three Sakharov conditions are satisifed, and one can use these PTs to explain the baryon asymmetry of the universe. We do so by proposing a mechanism of baryogenesis from supercooled confining PTs. We also compute the gravitational wave signature due to the PT in all the above scenarios. We find they could be seen by pulsar timing arrays and gravitational wave interferometers like LISA and the Einstein Telescope, realizing a new link between these telescopes and the possible origin of dark matter and of the baryon asymmetry of the universe.