Laboratoire d'accueil : Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique Théorique (LAPTh, Annecy)
Responsable de stage : Cédric Delaunay (
cedric.delaunay@lapth.cnrs.fr)
Dates souhaitées : de mai à juillet 2023
Sujet du stage M2 : Matière Noire et Anomalie Magnétique du Muon
Mots-clés : Physique au-delà du Modèle Standard, Matière Noire, Muon g-2
La matière noire (MN) représente un quart de l’énergie totale de l’Univers. Elle est environ cinq fois plus abondante que la matière ordinaire. Si son existence, induite par ses effets gravitationnels sur un grand nombre d’observations du cosmos, est indéniable, l’essentiel de ses propriétés et sa nature même restent inconnues. Car la MN est beaucoup trop abondante pour être l’une des particules du Modèle Standard (MS). Elle est l’une des preuves incontestables de l’existence d’une nouvelle physique au-delà du MS.
Un autre signe en faveur de l’existence d’une nouvelle physique se cache peut-être dans le muon. Récemment, le moment magnétique du muon (plus exactement l’anomalie de son facteur gyromagnétique, g-2) a été mesuré au Fermilab avec une précision inégalée de 0.46ppm. Le MS en fournit une prédiction tout aussi précise, cependant limitée par la méconnaissance des interactions nucléaires fortes à basses énergies qui contribue à l’anomalie magnétique des leptons au niveau quantique. Cette contribution est difficile à calculer ab initio à partir de QCD, mais peut être déduite d’autres mesures expérimentales, ce qui donne lieu à deux valeurs théoriques pour l’anomalie g-2 du muon. La première (reposant sur des calculs de QCD sur réseau) est en bon accord avec la valeur expérimentale, impliquant une forte contrainte sur une éventuelle nouvelle physique. Quant à la seconde, elle s’en écarte d’un peu plus de quatre fois l’incertitude de mesure, ce qui constitue un indice fort qu’une telle nouvelle physique existe. Laquelle de ces deux interprétations est
correcte ? La question reste ouverte.
En attendant, un large programme expérimental au CERN (ATLAS-HL, NA62, M3, NA64mu, FASER) se prépare pour tenter de découvrir (entre autres) de nouvelles particules légères interagissant préférentiellement avec le muon. Si l’accord entre la mesure de l’anomalie magnétique du muon et le MS était confirmé, les signatures attendues à ces expériences seraient, sinon inobservables, fortement contraintes. Néanmoins, si au contraire un fort signal positif était observé : quelles théories au-delà du MS pourraient expliquer un tel résultat ? Et quels devraient en être les ingrédients ? Avec plusieurs collaborateurs, nous avons élaboré (cf. réf. [1]) un mécanisme théorique répondant à cette question dans le cas d’une nouvelle physique composée de particules scalaires. Celui-ci repose sur l’existence d’une symétrie continue dans les interactions de ces champs scalaires qui permet de s’affranchir d’une forte contrainte provenant de l’anomalie g-2. Une conséquence intéressante de cette construction est la prédiction d’un candidat à la MN.
Ce stage de M2 vise à étudier la phénoménologie d’un candidat à la MN prédit par le mécanisme de protection présenté en réf. [1]. Une
poursuite en thèse est envisageable sur la même thématique : théories alternatives pour la MN, en lien avec les mesures de précision à basses énergies.
Références :
[1] Reuven Balkin, Cedric Delaunay, Michael Geller, Enrique Kajomovitz, Gilad Perez, Yogev Shpilman, Yotam Soreq, “A Custodial Symmetry for Muon g-2”, Phys. Rev. D 104, 053009 (2021). arXiv:2104.08289 [hep-ph]
Modifié 2 fois. Dernière modification le 05/12/22 17:51 par Cedric Delaunay.