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History of a hidden sector: Cosmological production and constraints

par Kimus, Jean
Président du jury Sparenberg, Jean-Marc
Promoteur Tytgat, Michel
Publication Non publié, 2025-10-09

Thèse de doctorat

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Résumé :

Malgré les efforts de la communeauté scientifique durant près d'un siècle, le problème de la nature de la matière noire reste encore aujourd'hui ouvert. Dans cette thèse, qui débute par une introduction étendue aux différents outils nécessaires pour traiter ces questions, comprenant notamment les mécanismes de freeze-out et freeze-in et la dilution d'entropie, nous considérons la matière noire comme une nouvelle particule appartenant à un secteur caché, à une température $T'$ différente de la température $T$ des particules du modèle standard. Concrètement, nous modélisons ce secteur caché à l'aide de l'électrodynamique quantique sombre (dark QED), et introduisons donc un boson massif de spin 1, le photon sombre, comme compagnon de la particule de matière noire. Après un résumé des principales contraintes observationnelles et expérimentales sur ces particules au-delà du modèle standard, nous présentons et résolvons - numériquement et analytiquement - un système d'équations de Boltzmann fluides adapté à cette situation, et mettons en lumière certaines de leurs particularités et les limites de l'approximation fluide. À partir de cela nous déduisons différentes contraintes dans l'espace des paramètres de ces deux particules, liées notamment à la limite d'unitarité sur la masse de la matière noire et aux effets de la dilution d'entropie causée par la désintégration des photons sombres sur cette dernière. Ensuite nous introduisons le reheating asymétrique post-inflation, un scénario capable de produire un secteur caché à partir de la désintégration asymétrique de l'inflaton en particules de matière noire et du modèle standard. Nous présentons un système d'équations de Boltzmann approprié, pour un secteur caché thermalisé, et dérivons un critère de thermalisation dans un secteur abélien produit de cette manière, en tenant compte de l'effet Landau-Pomeranchuk-Migdal. Enfin, nous étudions les conséquences de ce scénario sur le rapport de températures $T'/T$ à la fin du reheating et adaptons la limite d'unitarité à ce nouveau contexte.