Novel strategies for new low-mass particles searches at Colliders and from Stellar Objects

Nouvelles stratégies pour la recherche de nouvelles particules légères dans les collisionneurs et des objets stellaires Le Modèle Standard (SM) de la physique des particules est un cadre théorique extrêmement performant, décrivant avec précision les interactions électromagnétiques, faibles et fortes entre les constituants fondamentaux de la matière. Ses prédictions ont été confirmées par de nombreuses expériences, notamment par la découverte du boson de Higgs en 2012. Toutefois, plusieurs indices suggèrent l’existence d’une physique au-delà du SM (BSM), comme l’origine de la matière noire, l’asymétrie matière-antimatière, les masses des neutrinos ou encore le problème CP fort. Ce dernier peut être élégamment résolu par le mécanisme de Peccei-Quinn, qui prédit l’existence d’une particule pseudo-scalaire : l’axion QCD. Celui-ci constitue également un candidat prometteur pour la matière noire. Dans sa version « invisible », l’axion interagit très faiblement avec la matière ; ses couplages sont inversement proportionnels à fa, généralement supérieur à 10⁹ GeV, ce qui le rend difficile à détecter. Des particules similaires, appelées ALPs (Axion-Like Particles), ont également été proposées. Contrairement à l’axion QCD, les ALPs autorisent une valeur de fa plus faible, les rendant potentiellement accessibles dans des expériences en collisionneurs. Ce manuscrit adopte une approche multi-environnementale pour étudier la physique des axions, en combinant phénomènes astrophysiques, détection Cherenkov et recherches en collisionneurs. Après avoir introduit le cadre théorique de l’axion QCD, une description effective de ses interactions est développée via la théorie des perturbations chirales (ChPT), afin d’étudier les phénomènes hadroniques à basse énergie. Une première étude porte sur l’émission d’axions dans les supernovae, en particulier SN 1987A. Le refroidissement du cœur stellaire par émission d’axions constitue un canal de détection indirect. En étendant les calculs aux baryons et mésons étranges, nous présentons la première étude quantitative de l’émissivité axionique au-delà de la première génération, et posons la meilleure contrainte sur le couplage axion-strange-down, ainsi qu’une contrainte inédite sur le couplage axion-strange-strange. La seconde étude explore la détection d’un flux astrophysique d’axions sur Terre dans des détecteurs Cherenkov à eau, comme Hyper-Kamiokande. Nous calculons les spectres des processus a + N → N + γ et a + N → N + π⁰. Même pour l’axion QCD, des signaux détectables peuvent émerger, notamment via la production de π⁰, dont le spectre est plus favorable. Une extension à la matière étrange donne des signatures plus faibles, mais potentiellement observables si les couplages à la première génération sont réduits. Enfin, une dernière partie est consacrée aux recherches d’axions en collisionneurs. Après un état des lieux des contraintes existantes, nous proposons d’explorer de nouveaux canaux de désintégration à trois corps, tels que K → ππa et K → μμa, en exploitant les performances du détecteur LHCb. Une méthode est proposée afin d’étudier, d’un point de vue théorique, les processus qui pourraient être intéressants à investiguer expérimentalement. Ce travail met ainsi en évidence l’intérêt de combiner différents environnements expérimentaux pour sonder les propriétés des axions à diverses échelles d’énergie, à l’aide de méthodes complémentaires.