Nicolas GRIMBAUM YAMAMOTO - Faculté des Sciences

Titre de la thèse: "Primordial high energy neutrinos and non-abelian dark matter: phenomenology of early Universe relics"

Résumé:
Le Modèle Standard de la physique des particules et le modèle ΛCDM de la cosmologie rendent compte d'un ensemble remarquable d'observations, sans pour autant être complets. Cette thèse étudie des reliques de l'Univers primordial dans deux régimes distincts : celui des reliques stables encore présentes aujourd'hui, qui pourraient expliquer la matière noire, et celui des reliques instables désintégrées depuis longtemps, dont les produits pourraient sonder l'Univers primordial.
La première partie s'intéresse aux reliques instables, et demande si leur désintégration en neutrinos pourrait laisser des signatures observables aujourd'hui. Les neutrinos sont les seules particules du Modèle Standard capables de nous parvenir d'avant la recombinaison, et les télescopes en détectent couramment à haute énergie, de sorte qu'une injection primordiale assez énergétique serait visible aujourd'hui. Nous appelons un tel neutrino un Phenu, pour ‘primordial high energy neutrino’. Nous dérivons les spectres attendus sur Terre pour plusieurs signatures spectrales étroites que pourrait produire la désintégration ou l'annihilation d'une relique, et délimitons la région de l'espace des paramètres (masse, temps de vie, abondance) pour laquelle les Phenus se propagent sans entrave jusqu'à aujourd'hui. En la confrontant aux contraintes cosmologiques et aux flux observés, nous déterminons où un tel signal serait détectable dans les télescopes actuels et futurs. Pour la région complémentaire, où des distorsions sont attendues, nous développons un code Monte-Carlo suivant la propagation des Phenus, et l'appliquons à l'événement d’ultrahaute énergie de KM3NeT, le plus énergétique détecté à ce jour. Nous montrons qu'une origine primordiale en rend mieux compte qu'une simple loi de puissance, et atténue une partie de la tension avec la non-observation d'événements similaires auprès d'IceCube et d'Auger.
La seconde partie s'intéresse aux reliques présentes aujourd'hui, les particules de matière noire. Nous présentons un mécanisme où la stabilité d'une matière noire scalaire découle du centre d'un groupe de jauge sombre non abélien plutôt que d'une symétrie ad hoc. Nous analysons ses réalisations minimales fondées sur SU(2) et SU(3), et montrons que la radiation irréductible qu'elles prédisent en constitue le test le plus contraignant au vu des contraintes récentes. Enfin, nous examinons comment un tel secteur caché pourrait développer un mélange cinétique avec le secteur visible sans briser sa structure purement cachée, et calculons la contribution minimale qui le génère.