Thèse Contraintes sur l'Axion Qcd par les Processus Hadroniques Approches Astrophysiques et aux Collisionneurs H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Savoie Mont-Blanc
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Laboratoire d'Annecy de Physique théorique
Direction de la thèse : Diego GUADAGNOLI ORCID 0000000266640698
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-12T23:59:59

L'axion QCD est une particule pseudo-scalaire légère, introduite pour résoudre le problème CP fort - l'absence inexpliquée de violation de la symétrie CP dans l'interaction forte. Au-delà de cette motivation théorique, l'axion constitue l'un des candidats les mieux motivés à la matière noire. Sa constante de couplage fa 10^9 GeV rend ses interactions avec la matière ordinaire extrêmement faibles, ce qui confère aux environnements astrophysiques extrêmes un rôle central dans sa phénoménologie.

L'outil théorique central de cette thèse est la Théorie des Perturbations Chirales (ChPT), théorie effective de la QCD à basse énergie. En incorporant l'axion dans ce cadre via la procédure de Noether, on obtient les couplages axion-hadrons de manière non ambiguë, en fonction des paramètres du modèle axionique considéré (KSVZ, DFSZ, ou ALP).

Ce formalisme permet d'aborder la phénoménologie de l'axion dans une approche multifacette.

- Dans les objets astrophysiques compacts, nous calculons l'émissivité axionique pour l'ensemble des processus hadroniques pertinents dans les supernovae - diffusions baryon-baryon, diffusions méson-baryon, désintégrations de baryons - en incluant l'intégralité de l'octet baryonique et mésonique. Dans les étoiles à neutrons froides, nous explorons le rôle du condensat pionique, dont la formation peut substantiellement modifier, voire supprimer, l'émission d'axions.

- Pour la détection, les expériences Cherenkov à grand volume, conçues pour détecter les neutrinos comme refroidisseurs astrophysiques, peuvent tout aussi bien détecter d'autres sources exotiques de refroidissement comme les axions - et la perspective d'une détection duale constituerait une confirmation frappante de la physique sous-jacente. Nous étudions l'absorption du flux axionique d'une supernova proche par les noyaux d'hydrogène et d'oxygène de l'eau, ce dernier processus étant très peu exploré aux énergies de quelques centaines de MeV.

- Enfin, aux collisionneurs, les axions se manifestent via des désintégrations rares de kaons et d'hypérons impliquant de l'énergie manquante, sondant ainsi les couplages de changement de saveur - une approche complémentaire, sensible à des combinaisons de paramètres distinctes.

La combinaison de ces approches - astrophysique, détection et collisionneurs - permet de cartographier l'espace des paramètres axioniques de manière robuste et cohérente, et de mettre en évidence les régions où les contraintes les plus fortes peuvent être obtenues. La cohérence et la robustesse de cette démarche multifacette reposent sur un fil conducteur commun : l'utilisation systématique des théories effectives des champs, qui garantissent que les prédictions dans chaque contexte sont ancrées dans les mêmes symétries fondamentales et les mêmes paramètres physiques.

Le Modèle Standard de la physique des particules, malgré son succès exceptionnel, laisse plusieurs questions fondamentales sans réponse. Parmi elles, le problème CP fort - l'absence inexpliquée de violation de la symétrie CP dans l'interaction forte - et la nature de la matière noire, dont l'existence est confirmée par de multiples observations cosmologiques mais dont aucun constituant n'a été identifié. L'axion de QCD, issu de la brisure spontanée d'une symétrie de Peccei-Quinn, résout élégamment ces deux problèmes simultanément.

Le refroidissement des objets astrophysiques compacts fournit parmi les contraintes existantes les plus fortes sur les couplages de l'axion. En particulier, la durée du burst de neutrinos observé lors de SN 1987A impose que toute perte d'énergie supplémentaire par des particules exotiques reste inférieure à l'émissivité en neutrinos. Parmi les processus hadroniques contribuant à l'émission d'axions, la diffusion nucléon-nucléon avec rayonnement d'un axion est la plus étudiée. Cependant, des travaux récents ont montré que les processus impliquant des hadrons étranges - hypérons et kaons - peuvent contribuer de manière non négligeable, en particulier parce que le grand nombre de processus accessibles conduit à des contributions qui s'additionnent constructivement. Ces études ont permis d'établir les contraintes les plus fortes à ce jour sur certains couplages impliquant le quark étrange.

Parallèlement, les expériences Cherenkov à grand volume, conçues pour la détection de neutrinos d'origine astrophysique, représentent une opportunité peu explorée pour la détection directe d'axions émis par une supernova proche.

Enfin, aux collisionneurs, les désintégrations rares de hadrons impliquant de l'énergie manquante offrent une voie complémentaire pour sonder les couplages de changement de saveur de l'axion, dans un régime cinématique inaccessible aux approches astrophysiques.

L'objectif central de cette thèse est de fournir des contraintes robustes sur les couplages de l'axion QCD à la matière hadronique, en exploitant de manière cohérente plusieurs contextes d'observation complémentaires. Cet objectif se décline en trois axes :

(1) Calculer l'émissivité axionique associée à l'ensemble des processus hadroniques pertinents dans les supernovæ et les étoiles à neutrons, en incluant l'intégralité de l'octet baryonique et mésonique. Une attention particulière sera portée aux couplages impliquant le quark étrange, ainsi qu'au rôle du condensat pionique dans les étoiles à neutrons froides.

(2) Étudier la détection du flux axionique issu d'une supernova proche dans les expériences Cherenkov à grand volume, via l'absorption par les noyaux d'hydrogène et d'oxygène de l'eau, ouvrant ainsi de nouvelles fenêtres de sensibilité.

(3) Contraindre les couplages de changement de saveur de l'axion via les désintégrations rares de kaons et d'hypérons impliquant de l'énergie manquante aux collisionneurs.

La cohérence de l'ensemble repose sur l'utilisation systématique de la Théorie des Perturbations Chirales comme cadre théorique unifiant les trois axes.

L'outil méthodologique central de cette thèse est la Théorie des Perturbations Chirales (ChPT), la théorie effective de la QCD à basse énergie. Les interactions axion-hadrons sont construites de manière systématique à partir des symétries chirales de la QCD, via la procédure de Noether, ce qui garantit que les couplages sont exprimés de façon non ambiguë en fonction des paramètres du modèle axionique considéré.

Pour le calcul des émissivités dans les supernovæ et les étoiles à neutrons, les amplitudes de diffusion sont calculées à l'ordre dominant en ChPT pour l'ensemble des processus de l'octet baryonique et mésonique. L'émissivité est ensuite obtenue par intégration sur l'espace des phases, pondérée par les distributions statistiques des particules à température et densité finies. Les effets de milieu dense - masses effectives, potentiels chimiques effectifs - sont incorporés dans le cadre de l'approximation du champ moyen, contrainte par les équations d'état disponibles publiquement. Le rôle du condensat pionique dans les étoiles à neutrons froides sera exploré en étudiant la modification des taux d'émission dans ce régime.

Pour la détection aux expériences Cherenkov, les sections efficaces d'absorption axionique par les noyaux d'hydrogène et d'oxygène de l'eau sont calculées à partir des mêmes amplitudes ChPT, permettant une prédiction cohérente du spectre de partons Cherenkov produits.

Pour les processus aux collisionneurs, les amplitudes de désintégration de kaons et d'hypérons avec émission d'un axion sont calculées en utilisant les facteurs de forme issus par la QCD sur réseau, et les contraintes sur les couplages sont dérivées par comparaison avec les rapports de branchement expérimentaux disponibles et les sensibilités attendues des expériences futures.

Établissement : Université de Savoie Mont-Blanc
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Laboratoire d'Annecy de Physique théorique
Direction de la thèse : Diego GUADAGNOLI ORCID 0000000266640698
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-12T23:59:59

L'axion QCD est une particule pseudo-scalaire légère, introduite pour résoudre le problème CP fort - l'absence inexpliquée de violation de la symétrie CP dans l'interaction forte. Au-delà de cette motivation théorique, l'axion constitue l'un des candidats les mieux motivés à la matière noire. Sa constante de couplage fa 10^9 GeV rend ses interactions avec la matière ordinaire extrêmement faibles, ce qui confère aux environnements astrophysiques extrêmes un rôle central dans sa phénoménologie.

L'outil théorique central de cette thèse est la Théorie des Perturbations Chirales (ChPT), théorie effective de la QCD à basse énergie. En incorporant l'axion dans ce cadre via la procédure de Noether, on obtient les couplages axion-hadrons de manière non ambiguë, en fonction des paramètres du modèle axionique considéré (KSVZ, DFSZ, ou ALP).

Ce formalisme permet d'aborder la phénoménologie de l'axion dans une approche multifacette.

- Dans les objets astrophysiques compacts, nous calculons l'émissivité axionique pour l'ensemble des processus hadroniques pertinents dans les supernovae - diffusions baryon-baryon, diffusions méson-baryon, désintégrations de baryons - en incluant l'intégralité de l'octet baryonique et mésonique. Dans les étoiles à neutrons froides, nous explorons le rôle du condensat pionique, dont la formation peut substantiellement modifier, voire supprimer, l'émission d'axions.

- Pour la détection, les expériences Cherenkov à grand volume, conçues pour détecter les neutrinos comme refroidisseurs astrophysiques, peuvent tout aussi bien détecter d'autres sources exotiques de refroidissement comme les axions - et la perspective d'une détection duale constituerait une confirmation frappante de la physique sous-jacente. Nous étudions l'absorption du flux axionique d'une supernova proche par les noyaux d'hydrogène et d'oxygène de l'eau, ce dernier processus étant très peu exploré aux énergies de quelques centaines de MeV.

- Enfin, aux collisionneurs, les axions se manifestent via des désintégrations rares de kaons et d'hypérons impliquant de l'énergie manquante, sondant ainsi les couplages de changement de saveur - une approche complémentaire, sensible à des combinaisons de paramètres distinctes.

La combinaison de ces approches - astrophysique, détection et collisionneurs - permet de cartographier l'espace des paramètres axioniques de manière robuste et cohérente, et de mettre en évidence les régions où les contraintes les plus fortes peuvent être obtenues. La cohérence et la robustesse de cette démarche multifacette reposent sur un fil conducteur commun : l'utilisation systématique des théories effectives des champs, qui garantissent que les prédictions dans chaque contexte sont ancrées dans les mêmes symétries fondamentales et les mêmes paramètres physiques.

Le Modèle Standard de la physique des particules, malgré son succès exceptionnel, laisse plusieurs questions fondamentales sans réponse. Parmi elles, le problème CP fort - l'absence inexpliquée de violation de la symétrie CP dans l'interaction forte - et la nature de la matière noire, dont l'existence est confirmée par de multiples observations cosmologiques mais dont aucun constituant n'a été identifié. L'axion de QCD, issu de la brisure spontanée d'une symétrie de Peccei-Quinn, résout élégamment ces deux problèmes simultanément.

Le refroidissement des objets astrophysiques compacts fournit parmi les contraintes existantes les plus fortes sur les couplages de l'axion. En particulier, la durée du burst de neutrinos observé lors de SN 1987A impose que toute perte d'énergie supplémentaire par des particules exotiques reste inférieure à l'émissivité en neutrinos. Parmi les processus hadroniques contribuant à l'émission d'axions, la diffusion nucléon-nucléon avec rayonnement d'un axion est la plus étudiée. Cependant, des travaux récents ont montré que les processus impliquant des hadrons étranges - hypérons et kaons - peuvent contribuer de manière non négligeable, en particulier parce que le grand nombre de processus accessibles conduit à des contributions qui s'additionnent constructivement. Ces études ont permis d'établir les contraintes les plus fortes à ce jour sur certains couplages impliquant le quark étrange.

Parallèlement, les expériences Cherenkov à grand volume, conçues pour la détection de neutrinos d'origine astrophysique, représentent une opportunité peu explorée pour la détection directe d'axions émis par une supernova proche.

Enfin, aux collisionneurs, les désintégrations rares de hadrons impliquant de l'énergie manquante offrent une voie complémentaire pour sonder les couplages de changement de saveur de l'axion, dans un régime cinématique inaccessible aux approches astrophysiques.

L'objectif central de cette thèse est de fournir des contraintes robustes sur les couplages de l'axion QCD à la matière hadronique, en exploitant de manière cohérente plusieurs contextes d'observation complémentaires. Cet objectif se décline en trois axes :

(1) Calculer l'émissivité axionique associée à l'ensemble des processus hadroniques pertinents dans les supernovæ et les étoiles à neutrons, en incluant l'intégralité de l'octet baryonique et mésonique. Une attention particulière sera portée aux couplages impliquant le quark étrange, ainsi qu'au rôle du condensat pionique dans les étoiles à neutrons froides.

(2) Étudier la détection du flux axionique issu d'une supernova proche dans les expériences Cherenkov à grand volume, via l'absorption par les noyaux d'hydrogène et d'oxygène de l'eau, ouvrant ainsi de nouvelles fenêtres de sensibilité.

(3) Contraindre les couplages de changement de saveur de l'axion via les désintégrations rares de kaons et d'hypérons impliquant de l'énergie manquante aux collisionneurs.

La cohérence de l'ensemble repose sur l'utilisation systématique de la Théorie des Perturbations Chirales comme cadre théorique unifiant les trois axes.

L'outil méthodologique central de cette thèse est la Théorie des Perturbations Chirales (ChPT), la théorie effective de la QCD à basse énergie. Les interactions axion-hadrons sont construites de manière systématique à partir des symétries chirales de la QCD, via la procédure de Noether, ce qui garantit que les couplages sont exprimés de façon non ambiguë en fonction des paramètres du modèle axionique considéré.

Pour le calcul des émissivités dans les supernovæ et les étoiles à neutrons, les amplitudes de diffusion sont calculées à l'ordre dominant en ChPT pour l'ensemble des processus de l'octet baryonique et mésonique. L'émissivité est ensuite obtenue par intégration sur l'espace des phases, pondérée par les distributions statistiques des particules à température et densité finies. Les effets de milieu dense - masses effectives, potentiels chimiques effectifs - sont incorporés dans le cadre de l'approximation du champ moyen, contrainte par les équations d'état disponibles publiquement. Le rôle du condensat pionique dans les étoiles à neutrons froides sera exploré en étudiant la modification des taux d'émission dans ce régime.

Pour la détection aux expériences Cherenkov, les sections efficaces d'absorption axionique par les noyaux d'hydrogène et d'oxygène de l'eau sont calculées à partir des mêmes amplitudes ChPT, permettant une prédiction cohérente du spectre de partons Cherenkov produits.

Pour les processus aux collisionneurs, les amplitudes de désintégration de kaons et d'hypérons avec émission d'un axion sont calculées en utilisant les facteurs de forme issus par la QCD sur réseau, et les contraintes sur les couplages sont dérivées par comparaison avec les rapports de branchement expérimentaux disponibles et les sensibilités attendues des expériences futures.