京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23453号 / 理博第4747号 / 新制||理||1680(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 向山 信治, 准教授 De Felice Antonio , 教授 萩野 浩一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

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権利表示を行うこと, 出典表示を行うこと, 出版社版へのリンクを表示すること / 京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第19488号 / 理博第4148号 / 新制||理||1596(附属図書館) / 32524 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 大西 明, 准教授 菅沼 秀夫, 教授 田中 貴浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

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A fundamental assumption of our universe has been that equal amounts of matter and antimatter were created during the Big Bang. Since the world we live in is made entirely of matter, one either needs to question this assumption, or explain how matter was enriched with respect to antimatter. This is a puzzle that scientists all over the world are trying to solve. Particle accelerator experiments like Belle II in Tsukuba, Japan, enable precision studies of the heavier siblings of protons, for example charmed baryons. Since these baryons are unstable, they offer a unique tool to understand the matter-antimatter-asymmetry of the universe: by comparing the decay-patterns of the baryons and antibaryons, we look for tiny differences in the interactions that, if they exist, can have led to the matter-antimatter imbalance. The project aims to examine the capacity of the Belle II generator, which is a crucial part of analysis in experimental particle physics. The aim of this project is also to develop a toolkit for estimating decay-parameters from baryon decay distributions: one single-step process and one multi-step process, and compare statistical properties of the estimators in order to see which one yields a more precise estimation.

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Dans les collisions d'ions lourds ultra-relativistes (A-A), la matière se trouve dans des conditions extrêmes de densité d'énergie; elle forme un plasma de quarks et de gluons déconfinés. Aux énergies du RHIC et du LHC, le rapport baryon sur méson, tel Λ/K0S, prend des valeurs élevées sur une plage d'impulsions transverses intermédiaires pour les collisions centrales A-A. L'objectif de ce travail est de vérifier si la production accrue de baryons est seulement due à des effets collectifs au cœur du système formé ou s'il existe aussi un impact lié à une fragmentation des partons modifiée par le milieu. À l'aide de corrélations angulaires à deux hadrons, les K0S et Λ produits en association avec un hadron de haut pT (processus durs) sont séparés de ceux issus du milieu thermalisé (processus softs). Les rapports Λ/K0S à relier aux mécanismes durs et softs sont établis; les résultats sont obtenus pour les collisions Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV enregistrées en 2011 avec l'expérience ALICE. / In ultrarelativistic heavy-ion collisions, the QCD matter is under extreme conditions of energy density, forming a quark-gluon plasma (QGP), in which quarks and gluons are deconfined. At RHIC and LHC energies, a large baryon-to-meson ratio, like Λ/K0S, was observed within the transverse momentum range 2 < pT < 6 GeV/c for central heavy-ion collisions. The goal of this dissertation is to verify if the baryon-to-meson enhancement is only due to collective effects of the bulk of matter, and if there is also a contribution related to in-medium modifications of parton fragmentation.With two-hadron angular correlations, the K0S and Λ produced in association to an energetic hadron (hard processes) are separated from those originated from the thermalised medium (soft processes). The differential Λ/K0S ratios related to the soft or hard production processes are extracted. The results are obtained for the Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV recorded in 2011 with the ALICE experiment.

This thesis is dedicated to the study of a prominent class of dark matter (DM) models, in which the DM relic density is linked to the baryon asymmetry, often referred to as Asymmetric Dark Matter (ADM) theories. In ADM the relic density is set by a particle-antiparticle asymmetry, in direct analogue to the baryons. This is partly motivated by the observed proximity of the baryon and DM relic densities Ω_{DM} ≈ 5 Ω_{B}, as this can be explained if the DM and baryon asymmetries are linked. A general requisite of models of ADM is that the vast majority of the symmetric component of the DM number density, the DM-antiDM pairs, must be removed for the asymmetry to set the DM relic density and thus to explain the coincidence of Ω_{DM} and Ω_{B}. However we shall argue that demanding the efficient annihilation of the symmetric component leads to a tension with experimental constraints in a large class of models. In order to satisfy the limits coming from direct detection and colliders searches, it is almost certainly required that the DM be part of a richer hidden sector of interacting states. Subsequently, examples of such extended hidden sectors are constructed and studied, in particular we highlight that the presence of light pseudoscalars can greatly aid in alleviating the experimental bounds and are well motivated from a theoretical stance. Finally, we highlight that self-conjugate DM can be generated from hidden sector particle asymmetries, which can lead to distinct phenomenology. Further, this variant on the ADM scenario can circumvent some of the leading constraints.

Pendant mes trois ans de doctorat j'ai eu le plaisir de travailler sur trois projets très variés ayant un but commun: mieux contraindre certains modèles de nouvelle physique entre cosmolo- gie et le LHC. Le fait que les densités reliques de matière noire et de baryons sont similaires semble indiquer qu'il y a un lien entre les deux. Nous essayons d'expliquer les valeurs observées en reliant un modèle de leptogenèse au miracle des WIMPs, qui produit naturellement la bonne densité relique. Si l'asymétrie baryonique est produit dans des désintégrations hors équilibre à l'échelle électro-faible et si la matière noire est constituée de WIMPs, les deux densités reliques sont con- trôlées par des processus électro-faibles hors équilibre. Je construis un modèle de leptogenèse à l'échelle du TeV en utilisant une extension du type seesaw inverse du modèle standard avec des singlets additionnels. Pour produire suffisamment d'asymétrie baryonique il faut une violation CP ∼ O(1) qui est difficile à obtenir dans mon cadre. Les axions, tout comme les WIMPs sont de bons candidats de matière noire bien motivés. Il serait très utile de pouvoir les distinguer. Sikivie argumente que si des axions sont dans un condensat de Bose-Einstein, alors ils forment des halos galactiques différents des halos de WIMPs. D'après Sikivie ce sont les interactions gravitationnelles qui thermalisent les axions et qui les condensent. La formation d'un condensat nécessite la génération d'entropie qui ne peut pas être fourni par les interactions gravitationnelles au premier ordre. J'étudie la génération d'entropie par les interactions gravitationnelles en estimant une longueur de dissipation dans le fluide d'axions qui vient de la présence d'une pression anisotrope. Je ne peux pas confirmer la thermalisation rapide d'axions causé par leurs interactions gravitationnelles. Des nouveaux bosons de jauges comme le Z' apparaissent dans un grand nombre d'extensions du modèle standard. On les recherche le plus souvent comme une résonance dans le spectre de masse invariante de leurs produits de désintégration. Le Z' doit être produit sur couche de masse dans ces recherches résonantes. Mais la présence d'un Z' peut aussi influencer d'autres observ- ables cinématiques sans être produit directement, ce qu'on peut utiliser dans des recherches non-résonantes. Je compare ces deux types de recherches au LHC et trouve que pour des petits couplages les recherches résonantes sont plus adaptées mais pour de plus grandes masses et couplages les recherches non-résonantes sont plus performantes / During the three years as a PhD student I had the pleasure to work on three major projects which are united in the goal to better constrain new physics models between cosmology and the LHC. The similar values of dark matter and baryon relic abundances raise the question whether there is a link between them. We attempt to explain the observed values by relating leptogenesis to the WIMP miracle which gives naturally the right relic abundance. If the baryon asymmetry is produced in electroweak-scale-out-of-equilibrium decays and dark matter is made of WIMPs, both relic densities are controlled by electroweak scale interactions going out of equilibrium. We construct a TeV-scale leptogenesis model using an inverse-seesaw extension of the SM with additional singlets. To produce a large enough asymmetry we require CP violation ∼ O(1) which is difficult to achieve in our set-up. Axions as well as WIMPs are well motivated dark matter candidates. It would be very useful to be able to tell them apart. Sikivie argues that if axions are in a Bose-Einstein condensate they could form a different galactic dark matter halo than WIMPs and that gravitational interactions drive axions into a Bose-Einstein condensate. However for the formation of such a condensate entropy generation is needed which leading order gravitational interactions do not provide. We explore the entropy generation of gravitational interactions by estimating a dissipation scale in the axion fluid due to the presence of a anisotropic stress. We cannot confirm a fast gravitational thermalisation rate. New neutral gauge bosons like the Z' are generic extensions of the standard model which appear in many different models. Traditionally these particles are searched for in resonant searches at colliders, i.e. by producing the particles on-shell and looking for a resonance in the invariant mass spectrum of their decay products. However the presence of a Z' can also affect other kinematic observables without being actually produced on-shell, i.e. non-resonant searches. We compare compare resonant and non-resonant searches at the LHC and find that while for small couplings resonant searches are more sensitive, for larger couplings non-resonant searches are more efficient