Recherche de la matière noire axionique et photons sombres avec l’expérience MADMAX

Search for axion and dark photon dark matter with MADMAX

• Auteur / Autrice : Vijay Dabhi
• Direction : Pascal Pralavorio, Fabrice Hubaut
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : PHYSIQUE DES PARTICULES ET ASTROPARTICULES
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 23/09/2025
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CPPM - Centre de Physique des Particules de Marseille
• Jury : Président / Présidente : Heide Costantini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Pralavorio, Fabrice Hubaut, Dirk Zerwas, Laurent Chevalier, Erika Garutti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dirk Zerwas, Laurent Chevalier

Mots clés

Mots clés libres

Matière noire

Axion

Madmax

Photon sombre

Dark matter

Axion

Madmax

Dark photon

Résumé

L'une des questions ouvertes les plus fascinantes en physique fondamentale concerne la nature de la matière noire. Malgré de nombreux efforts pour la détecter, la matière noire reste encore insaisissable. Dans ce cadre, le modèle standard de la physique des particules ne propose aucun candidat pour la matière noire froide, mais plusieurs extensions de ce modèle en suggèrent de nouveaux. Le mécanisme de Peccei-Quinn propose une nouvelle symétrie globale U(1) pour résoudre le problème CP fort du modèle standard. La brisure de cette symétrie à une échelle d'énergie très élevée dans l'univers primordial produirait des particules appelées axions, qui possèdent les propriétés requises pour être un candidat à la matière noire froide. De plus, leur couplage faible mais non nul avec les photons peut être exploité pour les convertir en photons en présence d'un champ magnétique intense. En raison de leur masse inférieure à l'eV et de leur couplage infime avec les photons, l'intensité du signal qui en résulte est faible mais peut être amplifiée à l'aide de diverses technologies micro-ondes. L'haloscope diélectrique est une nouvelle technologie pour la recherche d'axions de notre halo galactique dans la gamme de masse avoisinant les 100 micro eV. Il utilise plusieurs disques diélectriques magnétisés pour convertir les axions en une émission cohérente de photons. Ces photons, lorsqu'ils interfèrent de manière constructive, peuvent amplifier le signal induit par les axions. La distance entre les disques peut être ajustée pour balayer différentes masses d'axions. Plusieurs prototypes ont été réalisés par la collaboration MADMAX (MAgnetized Disks and Mirror and Axion eXperiment) afin de valider les différents aspects de la technologie de l'haloscope diélectrique. Ces efforts ont également conduit à de nombreux développements technologiques, de simulation et d'analyse de données au cours des dernières années, aboutissant à trois recherches de matière noire qui ont toutes mené aux meilleures limites d'exclusion mondiales sur les particules de matière noire. J'y ai contribué avec les premières simulations utilisant des mesures de la planéité des disques, la validation de la performance des mouvements des disques, et une meilleure limite mondiale sur l'angle de mélange cinétique entre les photons et les photons sombres. Ces contributions sont décrites dans cette thèse, ouvrant la voie aux tests finaux des prototypes qui auront lieu au CERN en 2027-29.

One of the most intriguing open questions in fundamental physics is the nature of dark matter. Despite many efforts to detect it, dark matter still remains elusive. Standard model of the particle physics does not have a suitable candidate for cold dark matter, but several extensions of the standard model propose new candidates. The Peccei-Quinn mechanism proposes a new global U(1) symmetry to solve the strong CP problem of the standard model. The breaking of this symmetry at a very high energy scale in the early universe would produce particles called axions, that fulfill properties to be a cold dark matter candidate. Moreover, their small but non-zero coupling with photons can be utilized to convert them into photons in the presence of strong magnetic field. Owing to their sub-eV mass and tiny coupling to photons, the strength of the resulting signal is small but can be enhanced using various microwave technologies. Dielectric haloscope is a novel technology to search for axions from our galactic halo around the mass range of 100 micro eV. It utilizes several magnetized layers of dielectric disks to convert axions into a coherent emission of photons that can interfere constructively and resonate, thus enhancing the axion induced signal. The distance between the disks can be adjusted to scan axion masses. Several prototypes were made by the MAgnetized Disks and Mirror and Axion eXperiment (MADMAX) to validate the different aspects of the dielectric haloscope technology. These efforts have also lead to many technological, simulation, and data analysis developments in the last few years, culminating in three dark matter searches with all of them leading to the world best exclusion limits on dark matter particles. This thesis describes progresses made while working on different prototypes. In particular, the first 3D simulations with the realistic disk shapes, the validation of the mechanical performance of the disk movement mechanism, and a world leading exclusion limit on the kinetic mixing angle between the photons and dark photons are presented here. All of these milestones pave the way to the final prototype testing that will take place at CERN in 2027-29.