Défauts topologiques et modèles d'axions // topological defects and axion models

Topic description

L'absence de violation CP dans les interactions fortes est aujourd'hui l'un des aspects les plus énigmatiques du Modèle Standard (SM). En effet, la chromodynamique quantique (QCD) n'a aucune raison fondamentale de respecter la symétrie CP. Au contraire, ses propriétés topologiques engendrent naturellement une telle violation. De plus, la symétrie CP ne peut être une symétrie exacte de la nature puisqu'elle est indiscutablement brisée dans le secteur électrofaible du SM. Pourtant, expérimentalement, les limites actuelles sur l'EDM du neutron sont telles qu'elles requièrent une compensation quasi parfaite (d'une part sur dix milliard) entre la violation CP venant du couplage des quarks au boson de Higgs et celle venant de la topologie gluonique de QCD, deux secteurs du SM sans aucun lien dynamique connu ou même supposé. La solution actuellement privilégiée à cette énigme repose sur l'existence d'une symétrie supplémentaire, dite de Peccei-Quinn, brisée d'une part spontanément et d'autre part explicitement par des effets quantiques anomaux. La dynamique du boson de Goldstone associé, l'axion, permet alors d'expliquer l'absence de violation CP forte. Reste une grande liberté théorique quant à l'implémentation de cette idée, et à expliquer si l'axion existe ‘seulement' pour résoudre le problème CP fort. L'objectif de cette thèse sera de sonder les propriétés topologiques des modèles d'axions, en particulier l'émergence de cordes dites axioniques, en mettant à profit nos résultats récents sur les champs de jauge de type Kalb-Ramond. Ensuite, la question principale sera d'étendre la description de ces cordes à des modèles axioniques plus complexe, où la symétrie de l'axion est identifiée avec une combinaison des nombres baryonique et leptonique, et d'analyser les conséquences phénoménologiques tant pour la détection des axions que pour la cosmologie, en particulier du point de vue de la baryogénèse.
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Why strong interactions appear to respect the CP symmetry remains one of the most puzzling mystery of the Standard Model. Indeed, quantum chromodynamics (QCD) has no fundamental reason to respect this symmetry. Rather, its topological properties do naturally induce such a violation. Further, CP cannot be an exact symmetry of Nature since it is already broken in the electroweak sector. Yet, experimentally, current bounds on the neutron electric dipole moment are so strict that they require a cancellation, to one part in 10 billion, between the contribution arising from the QCD topological effects and from the electroweak sector. The currently favored solution to this puzzle introduces a new so called Peccei-Quinn symmetry, broken both spontaneously and anomalously. The dynamics of the associated Goldstone boson, the axion, then automatically sets strong CP violation to zero. This basic mechanism leaves a lot of freedom and many implementations do exist. In particular, it remains to be seen whether the axion is there ‘only' to solve the strong CP puzzle, or if its existence follows from some more fundamental principle. The goal of this thesis will be to study the topological properties of axion models, in particular the emergence of so-called axion strings, exploiting our recent results on Kalb-Ramond gauge fields. Then, the main focus will be to extend these descriptions to more complex axion models, where the PQ symmetry is entangled with that corresponding to baryon and/or lepton number, and to study the phenomenological consequences both for axion detection or for cosmology, in particular baryogenesis.
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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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