Testing the standard model via the electromagnetic coupling and going beyond with axion-mediated dark matter - CNRS - Centre national de la recherche scientifique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Testing the standard model via the electromagnetic coupling and going beyond with axion-mediated dark matter

Tester le modèle standard via le couplage électromagnétique et sonder au-delà du modèle standard avec un axion comme médiateur pour la matière sombre

Résumé

The electromagnetic coupling, alpha(s), is a cornerstone of the standardmodel (SM) of particle physics. If left unimproved, the precision of its value at the scale of the Z boson mass (MZ) will limit the discovery potential of future collider experiments. This precision hinges on our understanding of the hadronic contribution to the running of alpha(s) at low energies, a region where the SM’s description is hampered by non-linear effects in quantum chromodynamics (QCD). In this study, we take a first step in reducing this uncertainty by calculating the hadronic running of alpha(s) from the Thomson limit (at a scale Q2 = 0) to spacelike Q2 = 8GeV2. We employ large-scale simulations in lattice QCD, which are performed using Nf = 2 + 1 + 1 flavours of staggered quarks with masses tuned to their physical values, and which also account for leading-order isospin-breaking corrections. To improve control over systematic uncertainties, especially those associated with the necessary continuum extrapolations, we divide the running into sub-intervals of Q2, optimizing our analyses within each one. In particular, we have developed and implemented a series of improvement strategies. These strategies are based on lattice perturbation theory at short distances, effective theories addressing taste breaking at larger distances, and the utilization of 48 discretizations of the charm electromagnetic current. Our results already match the level of uncertainty achieved via the reference data-driven approach, and we outline a roadmap for a significant reduction of these uncertainties in the future. In the second part of this thesis we investigate a scenario to go beyond the standard model of particle physics by considering the possibility of an axion-like particle (ALP) acting as a mediator between SM particles and dark matter (DM) particles. Experimental advances have significantly constrained the standard electroweak-scale WIMP produced via thermal freeze out. This has led to a paradigm shift towards alternative scenarios. We focus on the case where the couplings are too small to allow for DM generation via freeze-out and the DM is thermally decoupled from the SM particles. However, alternative DM genesis mechanisms like freeze-in and decoupled freeze-out (DFO) can still reproduce the observed DM relic density. Having determined the region of parameter space for these scenarios, we then revisit experimental constraints on ALPs, in particular we (re)calculate and improve beam dump, flavour and supernova constraints. We find that in the DFO region, ALP-fermion couplings are tiny and are probably only accessible via cosmological constraints. The freeze-in scenario is possible in a wide parameter space and subject to other, more direct constraints. While certain regions of this parameter space are already ruled out, a significant part should be accessible to forthcoming collider experiments.
Le couplage de l’interaction électromagnétique, alpha(s), est une pierre angulaire du modèle standard (SM) de la physique des particules. Si elle n’est pas améliorée, la précision de sa valeur à l’échelle de la masse du boson Z (MZ) limitera le potentiel de découverte d’expériences auprès de futurs collisionneurs. Cette précision dépend de notre compréhension de la contribution hadronique à l’évolution de alpha(s) aux basses énergies, une région où la description du SM est entravée par les effets non linéaires de la chromodynamique quantique (QCD). Dans cette étude, nous faisons un premier pas vers la réduction de cette incertitude en calculant l’évolution hadronicque de alpha(s) depuis la limite de Thomson (correspondant une l’échelle Q2 = 0) jusqu’à l’échelle de genre espace, Q2 = 8GeV2. Nous utilisons des simulations à grande échelle en QCD sur réseau, qui sont réalisées avec Nf = 2 + 1 + 1 saveurs de quarks “staggered” avec des masses ajustées à leurs valeurs physiques, et qui prennent également en compte les corrections de brisure d’isospin d’ordre dominant. Afin d’améliorer le contrôle des incertitudes systématiques, en particulier celles associées aux extrapolations nécessaires vers la limite du continu, nous divisons cette évolution en sous-intervalles de Q2, en optimisant nos analyses dans chacun d’entre eux. En particulier, nous avons développé et mis en oeuvre une série de stratégies d’amélioration. Ces stratégies sont basées sur la théorie des perturbations sur réseau à courte distance, sur des théories effectives traitant de la brisure de la symétrie de “taste” à plus grande distance, et sur l’utilisation de 48 discrétisations du courant électromagnétique du charme. Nos résultats ont déjà des incertitudes comparables à celles obtenues dans l’approche de référence basée sur les données, et nous esquissons une feuille de route pour une réduction significative de ces incertitudes à l’avenir. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étudions un scénario permettant d’aller au-delà du modèle standard de la physique des particules en envisageant la possibilité qu’une particule de type axion (ALP) agisse comme médiateur entre les particules du modèle standard et les particules de la matière sombre. Les progrès expérimentaux ont considérablement limité l’existence d’un WIMP standard à l’échelle électrofaible qui serait produit par freeze-out. Cela a conduit à un changement de paradigme vers des scénarios alternatifs. Nous nous concentrons sur le cas où les couplages sont trop faibles pour permettre la génération de matière sombre par freeze-out et où la matière sombre est découplée thermiquement des particules du modèle standard. Cependant, des mécanismes alternatifs de génération de matière sombre comme le freeze-in et le freeze-out découplé peuvent toujours reproduire la densité relique de matière sombre observée. Après avoir déterminé la région de l’espace des paramètres pour ces scénarios, nous revisitons les contraintes expérimentales sur les axions, en particulier nous (re)calculons et améliorons les contraintes de beam dump, de saveur et de supernova. Nous constatons que dans la région du freeze-out découplé, les couplages axion-fermion sont minuscules et ne sont probablement accessibles que par des contraintes cosmologiques. Le scénario du freeze-in est possible dans un large espace de paramètres et est soumis à d’autres contraintes plus directes. Alors que certaines régions de cet espace de paramètres sont déjà exclues, une partie importante devrait être accessible à des expériences à venir, auprès de collisionneurs.
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Dates et versions

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Identifiants

  • HAL Id : tel-04524810 , version 1

Citer

Sophie Mutzel. Testing the standard model via the electromagnetic coupling and going beyond with axion-mediated dark matter. High Energy Physics - Lattice [hep-lat]. Aix-Marseille Université, 2023. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04524810⟩
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