Matière noire et énergie noire : un défi pour la physique des particules – DARKPHYS

Les données astronomiques et observations récentes en cosmologie montrent que 95 % de la densité d'énergie de l'univers se trouvent dans un secteur sombre comprenant la matière noire, une forme de matière encore non identifiée, et l'énergie sombre dont l'origine est inconnue. La matière noire est responsable de l'aplatissement des courbes de rotation des galaxies. Elle agit aussi comme précurseur des grandes structures de l'univers. L'énergie sombre est responsable de l'accélération de l'expansion de l'univers. Comprendre les mécanismes sous jacents à cette accélération est un des grands défis de la physique moderne. Ce problème est relié a celui de la constante cosmologique, une énigme qui date des premiers jours de la relativité générale. Ces deux formes d'énergie ont des conséquences cosmologiques fortes mais sont difficiles à détecter directement. Le but de ce projet est d'étudier la nature de la matière noire et de l'énergie sombre, afin de compléter l'analyse de leurs propriétés déduites de la cosmologie observationnelle par des contraintes venant de la physique des particules. description du projet, méthodologie Le projet se partage en trois étapes qui peuvent être traitées simultanément ou successivement. La première partie correspond à la définition de modèles théoriques pour la plupart motivés par les théories des cordes et autres théories effectives avec dimensions supplémentaires. C'est un cadre très riche pour décrire la physique au delà du modèle standard de la physique des particules et de la cosmologie. Une des taches principales sera d'identifier les particules responsables de la matière noire et de l'énergie sombre. La deuxième étape consiste a décrire le couplage entre les trois secteurs : le secteur d'énergie sombre, le secteur de matière noire et le secteur observable qui comprend les particules telles que l'électron et les quarks. Ces interactions peuvent conduire a des modifications non triviales de phénomènes comme la transition de phase électrofaible, la brisure de supersymétrie, les interactions des neutrinos. La dernière étape implique la comparaison des modèles avec les observables de la physique des particules et de la cosmologie. Le couplage entre les secteurs sombres et le secteur observable peut conduire à des signatures expérimentales de la matière noire et de l'énergie sombre dans les accélérateurs, dans les rayons cosmiques ou la physique des neutrinos. D'autre part, le couplage du secteur d'énergie noire avec la matière observable implique l'existence de variations des « constantes » comme la constante de structure fine et les masses des particules. Ces couplages modifient notamment la nucléosynthèse primordiale et les fluctuations du rayonnement de fond. Les expériences testant la gravité jouent aussi un rôle important et contraignent le couplage entre le secteur d'énergie sombre et la matière observable. L'effort théorique et phénoménologique du projet se produira pendant une période d'intense activité expérimentale avec les premiers résultats du Large Hadron Collider (LHC) et du satellite PLANCK. Dans ce projet, on mettra en pratique des techniques non standard de construction de modèles en physique des particules et procédera à leur analyse phénoménologique. Les aspects phénoménologiques demanderont un effort numérique et statistique dans l'analyse des paramètres des modèles.