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Theses Year : 2014

Search for new light bosons in high energy astronomy

Recherche de nouveaux bosons légers en astronomie de haute énergie

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Abstract

High-Energy astronomy studies the most violent phenomena in the universe with observations in a large spectrum of energies ranging from X rays to very high energy gamma rays (1 keV - 100 TeV). Such phenomena could be for instance supernovae explosions and their remnants, pulsars and pulsar wind nebulae or ultra relativistic jets formation by active galactic nuclei. Understanding these phenomena requires to use well-known particle physics processes. By means of high energy photons, studying such phenomena enables one to search for physics beyond the standard model. Concepts regarding the emission and propagation of high-energy photons are introduced and applied to study their emission by extragalactic sources and to constrain the extragalactic background light which affects their propagation. In this thesis, these high-energy extragalactic emitters are observed in order to search for new light bosons such as axion-like particles (ALPs). The theoretical framework of this family of hypothetical particles is reviewed as well as the associated phenomenology. In particular, because of their coupling to two photons, ALPs oscillate with photons in an external magnetic field. A new signature of such oscillations in turbulent magnetic fields, under the form of stochastic irregularities in the source energy spectrum, is introduced and discussed. A search for ALPs with the HESS telescopes with this new signature is presented, resulting in the first constraints on ALPs parameters coming from high-energy astronomy. Current constraints on ALPs at very low masses are improved by searching for the same signature in X-ray observations. An extension of these constraints to scalar field models for modified gravity in the framework of dark energy is then discussed. The potential of the search for ALPs with CTA, the prospected gamma-ray astronomy instrument, is eventually studied; in particular, a new observable is proposed that relies on the high number of sources that are expected to be discovered with this instrument.
L'astronomie de haute énergie se concentre sur l'étude des phénomènes les plus violents de l'univers à partir d'observations dans une gamme d'énergie allant des rayons X aux rayons gammas de très hautes énergies (1 keV - 100 TeV). Ces phénomènes incluent par exemple les explosions de supernovae et leurs vestiges, les pulsars et les nébuleuses de vent de pulsar ou encore la formation de jets ultrarelativistes au niveau des noyaux actifs de galaxie. Leur compréhension fait appel à des processus de physique des particules bien connus qui seront décrits dans cette thèse. Par l'intermédiaire de photons de haute énergie, l'étude de ces phénomènes de haute énergie ouvre donc une fenêtre originale pour la recherche de physique au delà du modèle standard. Les concepts relatifs à l'émission et la propagation de photons de haute énergie sont introduits dans cette thèse et appliqués à l'étude de l'émission de sources extragalactiques ainsi que du fond de lumière extragalactique, affectant la propagation des photons de haute énergie dans l'univers. Dans le cadre de cette thèse, ces sources extragalactiques de photons de haute énergie sont observées afin de rechercher de nouveaux bosons légers, tels que ceux appartenant à la famille des particules de type axion (PTA). Les bases théoriques décrivant cette famille de particules sont présentées, ainsi que la phénoménologie associée. Notamment, en raison de leur couplage à deux photons, ces particules ont la propriété d'osciller avec des photons en présence de champ magnétique externe. Une nouvelle signature de la présence de telles oscillations dans des champs magnétiques turbulents, sous la forme d'irrégularités stochastiques dans le spectre en énergie, est étudiée et discutée. Cette signature est appliquée à la recherche de PTA avec le réseau de télescopes HESS, permettant d'obtenir pour la première fois des contraintes sur ces modèles à partir d'observations en astronomie gamma. La recherche de la même signature dans des observations en rayons X permet d'améliorer les contraintes actuelles pour les PTA de très basse masse et l'extension de ces contraintes à des modèles de modification de la gravité comme explication de la nature de l'énergie noire est également évoquée. Enfin, la recherche de PTA avec l'instrument d'astronomie gamma du futur, CTA, est discutée; en particulier, une nouvelle observable est proposée qui tire partie du grand nombre de sources attendu avec cet instrument.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-01065648 , version 1 (18-09-2014)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01065648 , version 1

Cite

Denis Wouters. Recherche de nouveaux bosons légers en astronomie de haute énergie. Autre [cond-mat.other]. Université Paris Sud - Paris XI, 2014. Français. ⟨NNT : 2014PA112141⟩. ⟨tel-01065648⟩
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