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Thèse Année : 2020

Searching for Light Scalar Dark Matter with Gravitational Waves Detectors

Recherche des signatures de matière noire scalaire-légère avec les détecteurs d'ondes gravitationnelles

Résumé

The existence of the dark matter and the truth beyond its nature has been one of the greatest puzzle of the twentieth century and still it is nowadays. In the last decades several hypothesis, such as the WIMPs model, have been proposed to solve such puzzle but none of them has been able so far to succeed. In this thesis work we will focus on an other very appealing model in which dark matter is successfully described by an ultra-light scalar field whose origin can be sought in the low-energy limit of one of the most promising unification theories: the String Theory. In this work we show how such scalar field, if present, interacts with standard matter and in particular with the optical apparatus that is at the core of gravitational waves antennas. We derive and discuss the signal produced by this interaction through different approaches deriving both approximated and exact solutions. Special attention is paid to the second-order term of the signal approximate series expansion whose contribution ends up to be not negligible when one factors in the specific geometrical dimensions and frequency range of gravitational waves detectors like Advanced LIGO and Advanced Virgo. As suggested by recent surveys, we assume the presence of a dark matter stream in the local neighborhood of the solar system and show its effect on the signal. We then propose and discuss a hierarchical statistical analysis aimed to the signal detection. In case of no detection a limit curve for the coupling parameter d*g is derived. Such curve is then analyzed in detail showing the magnitude of the contribution of the first-order and second-order terms of the signal series expansion. We analyze the modification of the constraint curve due to the variation of the fraction of local dark matter belonging to the stream. We show finally how the constraint curve responds to variations of the search parameter and discuss the optimal choices.
L’existence de la matière noire et la vérité sur sa nature a été l’une des plus grandes énigmes du XXe siècle et elle l’est encore aujourd’hui. Au cours des dernières décennies, plusieurs hypothèses, telles que le modèle WIMPs, ont été proposées pour résoudre une telle énigme. Aucune d’entre elles n’a pour l’instant réussi. Dans ce travail de thèse, nous nous concentrerons sur un autre modèle très attrayant dans lequel la matière noire pourrait être décrite avec succès par un champ scalaire ultra-léger. L’origine de ce champ peut être recherchée dans la limite de basse énergie de l’une des théories d’unification les plus prometteuses : la théorie des cordes. Dans ce travail, nous montrons comment un tel champ scalaire, s’il est présent, interagit avec la matière standard et en particulier avec l’appareil optique qui est au cœur des antennes d’ondes gravitationnelles. Nous evaluons et nous discutons le signal produit par cette interaction à travers différentes approches. Des solutions approximatives et exactes sont ensuite obtenues. Une attention particulière est accordée au terme du deuxième ordre de l’expansion en série approximative du signal. On trouve, en effet, que sa contribution finit par ne pas être négligeable lorsque l’on tient compte des dimensions géométriques spécifiques et de la gamme de fréquence des détecteurs d’ondes gravitationnelles comme Advanced LIGO et Advanced Virgo. En tenant compte des travaux récents, nous supposons la présence d’un flux de matière noire voisin du système solaire et nous montrons son effet sur le signal. Nous proposons et discutons une analyse statistique hiérarchique visant à la détection du signal. En cas de non-détection, une courbe limite pour le paramètre de couplage d*g est dérivée. Cette courbe est ensuite analysée en détail montrant l’ampleur de la contribution des termes de premier ordre et de deuxième ordre de l’expansion en série de signaux. Nous analysons la modification de la courbe de contrainte en raison de la variation de la fraction de matière noire locale appartenant au flux. Nous montrons enfin comment la courbe de contrainte répond aux variations du paramètre de recherche. Une discussion sur des choix optimaux est proposée.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03180567 , version 1 (25-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03180567 , version 1

Citer

Francesco Cipriano. Searching for Light Scalar Dark Matter with Gravitational Waves Detectors. Instrumentation and Methods for Astrophysic [astro-ph.IM]. Université Côte d'Azur, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03180567⟩
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