We consider the effect of free -streaming axion emission on numerical models for the cooling of the newly born neutron star associated with SN1987A. We find that for an axion mass of greater than -10-3 eV, axion emission shortens the duration of the expected neutrino burst so significantly that it would be inconsistent with the neutrino observations made by the Kamiokande II (KII) and Irvine -Michigan- Brookhaven (IMB) detectors. However, we have not investigated the possibility that axion trapping (which should occur for masses 20.02 eV) sufficiently reduces axion emission so that axion masses greater than -2 eV would be consistent with the neutrino observations.

Ce projet étudie les implications de l'existence des particules de type axion (ALP) dans les magnétoiles. Ces étoiles denses et chaudes sont effectivement idéales pour la production d'ALP et leur fort champ magnétique est essentiel pour assurer la transition ALP-photon. En plus d'aider à solutionner deux enjeux majeurs du modèle standard, soient le problème CP fort et la matière noire, l'existence des ALP permettrait aussi de préciser la modélisation de certains aspects des magnétoiles comme leur température interne et leur production de photons dans les rayons X à haute énergie. Le projet compare donc la luminosité en photons associée à la production d'ALP avec le flux de rayons X à haute énergie produit par des étoiles réelles. Le modèle obtient ainsi des températures internes plus basses, donc plus compatibles avec les temps de vie observés, pour toutes les étoiles considérées. Par contre, les valeurs prédites pour le produit des constantes de couplages de l'ALP sont moins cohérentes et demeurent trop élevées pour être en accord avec ce qui est observé expérimentalement. Il est toutefois possible d'obtenir une intersection des résultats pour cinq des six séries de données étudiées. La production d'ALP au cœur des magnétoiles n'est donc pas totalement incohérente avec les observations mais le modèle devra être raffiné davantage avant que les conclusions obtenues soient réellement significatives. / This project studies the implications of the existence of axion like particles (ALPs) in magnetars. Indeed, such dense and hot stars are ideal to produce ALPs, and their strong magnetic field is essential to ALP-photon oscillations. In addition to giving insight on the strong CP problem and dark matter, the existence of ALPs could shed light on other aspects of magnetars such as their hard X ray emission and their internal temperature. The luminosity in photons associated to ALP production is thus compared with the hard X ray flux emitted by real stars. As a result, the internal temperatures modelized are lower, which is more consistent with the observed life times. Regarding the ALPs' strength of interactions, the predicted values are less coherent and too high when compared with experimental evidence. However, it is still possible to obtain an agreement between five out of six data sets. ALPs production inside magnetars is thus not totally incoherent with observations, but the model must be developped further before significant conclusions can be drawn.

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. / 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.

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This thesis explores the expansive world of General Relativity, and its role to play in modern cosmology and quantum field theory. We begin with a pedagogical approach to relativity, in particular, highlighting upon the ambiguity that arises with the conventions used in different textbooks. A brief introduction to tensor calculus has also been provided in the appendix. The preliminary chapters are also complimented with examples of numerical relativity via simulation. We then move on to discuss examples of non-linear systems, and their exact solutions. Such systems will be analogous to those we shall encounter later, upon considering scalar field theories as a means of modelling dark energy. We shall introduce the axion as our highly motivated dark matter candidate, since this will ultimately determine the behaviour of the scalar field. Coupled to a scaling factor across the spatial domain, it is found that this scalar field will ultimately determine the evolution of our universe. The key result of this thesis has been the possibility to screen both the cosmological constant, and flatness of the universe, to within observable parameters. These results will be explicitly derived from first principles. Also included is a tentative approach to holographic theory, in which strongly correlated systems may be modelled within the asymptotic domain of Anti-de Sitter (AdS) space. Ultimately, our aspirations are to bridge the gap with condensed matter theory, in particular with the publications included within the latter appendices. These publications discuss graphene as a revolutionary new material, for inclusion in both transistor-based and optoelectronic devices.

In this Thesis I explore aspects of dark radiation and its role in String Phenomenology. Dark radiation is any additional hidden type of relativistic matter present in the Universe today, conventionally labelled as an "excess effective number of neutrino species", Δ N_eff. It provides a powerful test of hitherto untested theoretical models based on fundamental theories such as String Theory. I begin by considering dark radiation in the LARGE Volume Scenario, a phenomenologically viable class of string compactifications. First I review how the minimal setup slightly overproduces axionic dark radiation via modulus decay. I then demonstrate that loop corrections to the main competing visible-sector decay process have a negligible effect and are unable to alleviate the tension with observations. In the following chapter I explore fibred extensions of the LARGE Volume Scenario. The predictions for Δ N_eff are qualitatively different: in particular, models with a sequestered visible sector on D3 branes at a singularity are swamped by massless axions and decisively ruled out. I then consider TeV-scale supersymmetry in a model with anisotropic modulus stabilisation. If the Standard Model is realised on D7 branes wrapping the small volume cycle a hierarchy of soft terms is generated, which may have applications to natural supersymmetry. The final chapter takes a different approach and investigates the proposition that dark radiation, in the form of a Cosmic Axion Background, could explain the long-standing soft X-ray excess from galaxy clusters. I show for the Coma cluster that the morphology of the excess can be reproduced by axion-photon conversion in the intracluster magnetic field, provided the field is allowed to have more structure on smaller scales than typically assumed based on Faraday rotation data. This explanation requires an inverse axion-photon coupling M ∼ 10¹¹ - 10¹² GeV and a mean axion energy (E_CAB) ∼ 50 - 250 eV.

Cette thèse a pour but l'étude de théories diverses, toutefois interconnectées, décrivant la nouvelle physique au-delà du modèle standard de la physique des particules. Ces sont des théories d'un nouveau type de particules, les axions, d'un nouveau principe de symétrie, la supersymétrie, et d'une nouvelle description des degrés de liberté fondamentaux, la théorie des cordes. Les progrès instrumentaux et théoriques constamment fait au fil des ans ont confirmé que ces théories sont des candidates privilégiées pour une description de la physique au-delà du modèle standard.Les axions sont d'abord examinés et étudiés d'un point de vue phénoménologique: nous présentons des modèles qui désenchevêtrent les différentes échelles qui décrivent l'espace des paramètres des modèles d'axions, et nous discutons les axions présents dans des modèles de saveur. Inspirés par les recherches autour du swampland, nous nous imposons l'utilisation de symétries de jauge, et non globales, en tant que point de départ pour la construction de modèles.Notre intérêt se porte ensuite sur la supersymétrie. Nous étudions sa brisure, à la fois dans des modèles explicites dans l'ultraviolet qui génèrent une échelle de brisure de supersymétrie basse à partir de matière à haute échelle, et au niveau des théories effectives à l'aide de la supersymétrie non-linéaire. En ce qui concerne ce dernier thème, nous nous restreignons à l'approche des superchamps contraints. Enfin, nous présentons des solutions classiques exactes d'un modèle supersymétrique dont la portée est grande, le modèle de Wess-Zumino d'un superchamp chiral.Finalement, nous nous intéressons à la théorie des cordes. Nous calculons des spectres de cordes en guise d'illustration de la structure de la théorie et de point de départ pour le calcul d'amplitudes du vide à une boucle. Celles-ci nous permettent de tester l'une des conjectures du swampland, qui désigne la gravité comme la plus faible des forces, dans une configuration de théorie des cordes où la supersymétrie est brisée. Enfin, les axions en théorie des cordes sont analysés, en particulier lorsqu'ils sont chargés sous une symétrie de jauge abélienne anormale. / The aim of this thesis is to study various but interconnected theories for new physics beyond the standard model of particle physics. Those are theories of a new kind of particles, axions, a new symmetry principle, supersymmetry, and a new description of fundamental degrees of freedom, string theory. Constant instrumental and theoretical progresses made over the years maintain those already old subjects as leading BSM candidates.Axions are first reviewed and studied from a phenomenological perspective: we present models which disentangle the different scales which define the axion parameter space, and we discuss axions which arise in models of flavour physics. Motivated by swampland considerations, we insist on using gauge, and not global, symmetries as model building inputs.The focus then shifts to supersymmetry. We study its breaking, both in explicit ultraviolet models which generate a low supersymmetry breaking scale from high-scale matter, and at the effective field theory level using non-linearly realized supersymmetry. In our study of the latter topic, we focus on the constrained superfield approach. Finally, we present exact classical solutions of a supersymmetric model with broad application scope, the Wess-Zumino model of a chiral superfield.Last, we discuss string theory. We compute string spectra as illustrations of the structure of the theory and as starting points to compute one-loop vacuum amplitudes. Those are used to understand supersymmetry breaking in string theory, as well as brane interactions. Then, the latter enable us to test one of the swampland criteria, the weak gravity conjecture, in a string theory setup with broken supersymmetry. Finally, axions in string theory are scrutinized, in particular when they are charged under an anomalous abelian factor of the gauge group.

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.

The Standard Model of particle physics has enjoyed unprecedented success in predicting experimental results. However, evidence from astrophysical observations points to the existence of a dark sector of particles that interact only very weakly with the Standard Model. In this work, we search for dark sector signatures in X-ray telescope data. Much of this work concerns a class of hypothetical particles, the axion-like particle (ALP). ALPs are a theoretically well-motivated extension of the Standard Model. If ALPs exist, they may lead to intriguing astrophysical signatures: in the presence of a background magnetic field, ALPs and photons can interconvert. We could detect ALPs by searching for photon to ALP conversion. For example, photons produced by point sources in or behind galaxy clusters may convert to ALPs in the cluster's magnetic field. This could lead to observable spectral anomalies. Using this strategy, we place world leading bounds on the ALP-photon coupling. One potential signal of dark matter is an anomalous line in the spectra of galaxies and galaxy clusters. In 2014, an anomalous line was found at an energy of 3.5 keV. The nature and cause of this line is still under discussion. We analyse a scenario in which the 3.5 keV line arises from dark matter decay to ALPs, which interconvert with 3.5 keV photons in astrophysical magnetic fields. We further report an anomalous deficit at 3.5 keV in the spectrum of the Active Galactic Nucleus at the centre of the Perseus galaxy cluster. This motivates the study of a new model in which both features are caused by “fluorescent dark matter” which resonantly interacts with 3.5 keV photons. We analyse observations of Perseus at 3.5 keV to date, and show that they are well explained by this model. Further theoretical and experimental work is needed to discover or exclude fundamental physics effects in X-ray spectra.

Direct detection of dark matter remains an important outstanding problem since abundant astrophysical evidence points towards its existence, but no experiment has succeeded in detecting it. Axions and axion-like-particles are some of the most compelling candidates for dark matter given their appearance in many theories of physics beyond the Standard Model and their relatively unexplored parameter space compared to other candidates. Recently, the Cosmic Axion Spin Precession Experiment-Electric (CASPEr-e) has used nuclear magnetic resonance (NMR) to search for effective magnetic fields created by axionic dark matter. By decreasing technical noise sources, CASPEr-e is projected to reach the standard quantum limit where spin projection noise is the dominant noise source limiting sensitivity. However, some axion models predict axion couplings to normal matter that would be too small for even a quantum limited CASPEr-e experiment to detect. This creates a need for surpassing the spin projection noise limit in NMR dark matter searches. In this thesis, I explore the prospects for surpassing the quantum limit in NMR by using spin squeezed states, entangled states with variance in one projection reduced below the standard quantum limit. First, I propose an experimental scheme for generating squeezed states by coupling the spins to an off-resonant circuit to create a One-Axis-Twist Hamiltonian. Then, using exact results and numerical simulations, I determine the amount of squeezing that can be achieved given decoherence and noise. Next, I perform modeling to show that squeezing can accelerate dark matter searches despite earlier results that argued squeezing cannot improve experimental sensitivity when subject to decoherence. Finally, I apply these results to the CASPEr-e experiment and show that at axion frequencies near 100MHz, squeezing can speed up the experiment by a factor of up to 30, corresponding to a sensitivity improvement by a factor of over 5.