Théorie des champs thermiques automatisée pour la cosmologie – AUTOTHERM

La détermination de l'histoire thermique de l'univers jeune lors de son évolution dès sa température maximale après l'inflation est l'un des défis principaux à l'intersection de la cosmologie et de la physique des particules, avec des implication pour des questions ouvertes comme la génération de l'asymétrie baryonique de l'univers et la nature de la matière noire. Cette température et la physique des particules y associée sont actuellement peu contraignés, en allant des baryons, leptons et photons d'un coté jusqu'à l'inétablie physique des particules au delà du modèle standard (BSM) au delà du TeV de l'autre. L'existence de cette phase "Hot Big Bang" n'est toutefois pas controverse et la physique de l'équilibre thermique est centrale dans plusieurs scenarios BSM, par ex. pour produire la matière noire. La précision atteinte par les tentatives de "BSM direct detection" en astroparticules ou aux collisionneurs et par les "indirect constraints", comme ceux venant des mesures de la radiation cosmique de fond, va augmenter dramatiquement dans les prochaines années. Ceci donc motive des déterminations théoriques bien plus précises des procès en et hors de l'équilibre thermique, par lesquels on peut sonder la physique BSM à travers de l'histoire thermique de l'univers. Je propose de rendre disponible à la communauté le cadre le plus avancé pour ces calculs, basé sur mes progrès récents dans la théorie des champs thermiques. Je vais créer un logiciel qui utilise l'automation pour évaluer très précisément les taux thermiques dans tout modèle arbitraire de physique des particules avec un effort pour l'utilisateur comparable aux méthodes approximatifs encore très utilisés, comme les équations de Boltzmann avec des sections efficaces "thermally averaged".
En détail, j'automatiserai les taux de production et interaction pour particules légères et lourdes, suivant des récents travaux. Pour ce qui concerne les taux pour particule légères, on utilisera mon travail sur la production thermique d'ondes gravitationnelles, qui a donné une démonstration de faisabilité d'automation basé sur la théorie des champs thermiques pour particules légères. Il sera utilisé comme base pour l'automation de la contribution des processus 2<->2 au taux pour les particules légères. On automatisera aussi le calcul des processus 1<->2 dans le régime ultrarelativiste, avec l'inclusion de l'interference de la diffusion multiple avec les constituents du plasma (effet LPM). On se basera sur mon travail recent sur la connection souple de ce taux avec son homologue dans le régime relativiste (M~T). Nous pourrions alors utiliser ces modules 2<->2 et 1<->2 pour automatiser la génération des équations cinétiques dans des modèles arbitraires, qui sont un ingredient fondamental dans les études de thermalisation pendant le "reheating".
Pour les particules massives, on complétera le module 1<->2 relativiste avec le travail récent de Jackson et Laine, qui fournit un algorithme prêt pour l'automation pour l'évaluation des corrections au deuxième ordre aux processus 1<->2. Celles-ci incluent les processus réels 2<->2 et 1<->3, ansi que les corrections virtuels thermiques aux processus 1<->2. Ces dernières peuvent être essentielles pour la "infrared safety" ; leur absence, comme dans les codes actuels semi-automatisés pour la matière noire, peut engendrer une grande surestimation des taux. Enfin, on emploiera les modules développés pour montrer la puissance du cadre avec un "benchmark study" dans un model choisi avec grande attention pour aussi obtenir des nouveaux résultats à la frontière de la connaissance dans le champ.
La recherche proposée nécessite le recrutement d'un postdoc, qui prendra un role principale dans l'automation des particules massives et qui collaborera avec moi sur les taux pour particules légères. En plus, on demande des fonds pour missions et materiel informatique.