Modèles quasi-minimaux de matière noire électrofaible

Le Modèle Standard de la physique des particules est une théorie robuste à l'échelle électro-faible. Cependant, ce dernier possède des lacunes. Par exemple il ne permet pas d'expliquer la matière sombre, qui est une des problématiques majeures de la physique moderne. Près de 85% de la matière présente dans l'Univers n'est pas expliquée par le Modèle Standard. On l’appelle la matière sombre. Cette thèse présente une catégorie de modèles s'adressant à la problématique de la matière sombre. Ceux-ci s'appuient sur le paradigme du WIMP, qui nous enseigne qu'une particule neutre avec une section efficace électro-faible et une masse électro-faible explique à peu près l'abondance relique observée. Néanmoins, une analyse plus approfondie révèle que cette correspondance n'est en fait pas très précise puisque des masses multi-TeV pour la matière sombre sont nécessaires pour les modèles les plus simples, ce qui est 1-2 ordres de grandeur plus grand que l’échelle électro-faible. Cependant, avec un secteur sombre étendu, il est possible de maintenir la masse de la matière sombre proche de l’échelle électro-faible tout en gardant la densité relique observée. Ma thèse présente des modèles effectifs simples de matière sombre fermionique du type WIMP, ou le candidat de matière sombre est issu du mélange entre un singlet du Modèle Standard et d'un n-plet de SU(2)×U(1). La particule de matière sombre est supposée avoir une masse de l'ordre de l'échelle électro-faible, et le mélange est généré par des opérateurs de dimensions supérieures impliquant le doublet de Higgs. Lorsque la symétrie électro-faible est brisée, le boson de Higgs acquiert sa valeur moyenne dans le vide et des matrices de masse non-diagonales sont générées dans le secteur sombre. Cela engendre un mélange entre les états du secteur sombre, et les états physiques ainsi que leur masse sont obtenus en diagonalisant les matrices de masse. Pour des valeurs appropriées des paramètres, il est toujours possible d’accommoder le mélange afin de reproduire la densité relique mesurée. On parle de "well-tempered mixing" ou mélange correctement ajusté en français. Afin de stabiliser la particule de matière sombre, on doit ajouter une symétrie sous laquelle le secteur sombre est impair et le Modèle Standard est pair. Pour n impair, le n-plet est un multiplet de Majorana d'hypercharge nulle. Pour n pair, on considère un bi-multiplet d'hypercharge opposée ± 1/2 de sorte à ce qu'il forme un spineur de Dirac. On se focalise sur les contraintes liées à la densité relique et à la détection directe pour les configurations singlet-triplet, singlet-quadruplet et singlet-quintuplet. Notons que les contraintes de la détection indirecte sont moins fortes que celles issues de la détection directe. On impose une masse électro-faible pour la matière sombre afin qu'elle puisse être produite au LHC. Les résultats montrent qu'il est toujours possible de trouver un espace des paramètres, avec une masse électro-faible pour la matière sombre et redonnant la densité relique observée, qui passe les contraintes de détection directe et a fortiori indirecte. Dans la région de validité de la théorie effective, la détection directe est moins contraignante pour les grandes représentations du n-plet à cause du très faible mélange.