Topic description
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.
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The QCD axion is a light pseudo-scalar particle, introduced to solve the strong CP problem — the unexplained absence of CP symmetry violation in the strong interaction. Beyond this theoretical motivation, the axion is one of the best-motivated candidates for dark matter. Its coupling constant fa ≳ 10^9 GeV makes its interactions with ordinary matter extremely feeble, which places extreme astrophysical environments at the center of its phenomenology.
The central theoretical tool of this thesis is Chiral Perturbation Theory (ChPT), the effective theory of QCD at low energies. By incorporating the axion into this framework via the Noether procedure, axion-hadron couplings are obtained unambiguously, as functions of the parameters of the axion model under consideration (KSVZ, DFSZ, or ALP).
This formalism allows the phenomenology of the axion to be addressed in a multifaceted approach.
- In compact astrophysical objects, we compute the axion emissivity for the full set of relevant hadronic processes in supernovae — baryon-baryon scattering, meson-baryon scattering, and baryon decays — including the complete baryon and meson octets. In cold neutron stars, we explore the role of the pion condensate, whose formation can substantially modify, or even suppress, axion emission.
- For detection, large-volume Cherenkov experiments, designed to detect neutrinos as astrophysical coolers, are equally capable of detecting other exotic cooling sources such as axions — and the prospect of dual detection would constitute a striking confirmation of the underlying physics. We study the absorption of the axion flux from a nearby supernova by the hydrogen and oxygen nuclei of water, the latter process being very little explored at energies of a few hundred MeV.
- Finally, at colliders, axions manifest themselves through rare decays of kaons and hyperons involving missing energy, thereby probing flavour-changing couplings — a complementary approach, sensitive to distinct combinations of parameters.
The combination of these approaches — astrophysical, detection, and collider — allows the axion parameter space to be mapped in a robust and coherent way, and identifies the regions where the strongest constraints can be obtained. The coherence and robustness of this multifaceted approach rest on a common thread: the systematic use of effective field theories, which ensure that predictions in each context are grounded in the same fundamental symmetries and expressed in terms of the same physical parameters.
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Début de la thèse : 01/10/
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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