In the present thesis we study light-light scattering, which is a nonlinear effect occurring in quantum electrodynamics. The goal of this thesis is to study the low-energy effective theory (Lagrangians of Euler-Heisenberg type). The first part of the work is devoted to the derivation of the effective Lagrangian in spinor, scalar and vector QED using the amplitude matching of one-loop diagrams. The calculation for the case of vector QED is performed using the unitary gauge, which probably has not been done yet so far by other authors. In the second part, the effective Lagrangian for spinor QED is derived using functional methods. The essential point of the derivation is to calculate the determinant of the Dirac operator in constant background electromagnetic field. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Un des problèmes les plus intrigants de la physique moderne est l'identification de la nature d'une composante de matière non-relativiste présente dans l'univers, contribuant à plus de 25% de sa densité d'énergie totale, appelée matière noire. Les particules "WIMPs" (Weakly Interacting Massive Particles) sont parmi les catégories de candidats à la matière noire les plus considérées. Cependant, en l'absence de résultats concluants d'expériences de détection directe, indirecte et auprès de collisionneurs de particules, la première partie de cette thèse est dévouée à l'étude du paradigme "WIMP" dans le contexte de modèles simplifiés. Des modèles considérant des extensions de jauge sont étudiés par la suite tels que des théories présentant des couplages de Chern-Simons ainsi qu'un modèle motivé par l'observation récente d'anomalies dans le domaine de la physique la saveur lié à l'observable RK(*). La deuxième partie de cette thèse est dévouée à l'étude de mécanismes alternatifs de production thermique de matière noire en particulier en considérant une réalisation spécifique du mécanisme "SIMP" (Strongly Interacting Massives Particles) dans le contexte d'une symétrie de jauge non-abélienne cachée. Dans une dernière partie, la possibilité de produire une composante de matière noire de manière non-thermique à travers le mécanisme "freeze-in" est étudiée. En particulier, le fort impact de l'époque post-inflationnaire de l'univers sur la production de densité de matière noire est illustré par l'étude d'un modèle de matière noiremédiée par un champ de spin 2 massif en plus du graviton standard. / One of the most puzzling problems of modern physics is the identification of the nature a non-relativistic matter component present in the universe, contributing to more than 25% of the total energy budget, known as Dark Matter. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are among the best motivated dark matter candidates. However, in light of non conclusive detection signals and strong constraints from collider, direct and indirect detection experiments, this thesis presents constraints on several realizations of the WIMP paradigm in the context of simplified dark matter models. More elaborated models considering extended gauge structures are discussed further on, such as constructions involving generalized Chern-Simons couplings and a specific WIMP scenario motivated by some recently observed flavor anomalies related to the RK(*) observable. The second part of this thesis is devoted to the discussion of an alternative dark matter thermal production mechanism where an explicit realization of the Strongly Interacting Massive Particles (SIMPs) paradigm is discussed in the context of a non-Abelian hidden gauge structure. In a last part, the possibility of producing non-thermally a dark matter component via the "freeze-in" mechanism was investigated and the strong impact of the postinationary reaheating stage of the universe on such constructions illustrated by the specific case where dark matter density production is mediated by a heavy spin-2 field in addition to the standard graviton.

Cette thèse présente une étude de la production de boson de Higgs dans les collisions proton-proton à sqrt(s) = 13 TeV enregistrées avec le détecteur CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, exploitant la voie de désintégration en une paire de bosons Z qui se désintègrent à leur tour en paires d’électrons ou de muons (H->ZZ->4l, l = e,mu).Ce travail s’inscrit dans le contexte du début du Run II du LHC, une nouvelle période de prise de données qui a commencé en 2015 après une interruption de deux ans. Ce redémarrage est marqué par une augmentation de l’énergie dans le centre de masse de 8 TeV à 13 TeV et un resserrement de l’espacement entre paquets de protons de 50 ns à 25 ns. Ces nouveaux paramètres augmentent à la fois la luminosité et placent des contraintes inédites sur le déclenchement, la reconstruction et l’analyse des données de collisions pp. Un effort important est donc consacré à l’amélioration et la réoptimisation du système de déclenchement de CMS pour le Run II, en mettant l’accent sur la reconstruction et la sélection des électrons et sur la préparation de chemins de déclenchement multi-leptons préservant une efficacité maximale pour le canal H->ZZ->4l.Dans un second temps, les algorithmes de sélection hors-ligne des électrons et des muons sont optimisés et leurs efficacités sont mesurées dans les données, tandis que la logique de sélection des candidats à quatre leptons est améliorée. Afin d’extraire des modes de production rares du boson de Higgs tels que la fusion de bosons vecteurs, la production par « Higgsstrahlung » VH et la production associée ttH, une nouvelle répartition des événements sélectionnés en catégories exclusives est introduite, fondée sur des discriminants utilisant le calcul d’éléments de matrice et l’étiquetage de saveur des jets.Les résultats de l’analyse des premières données à 13 TeV sont présentés pour des lots de données enregistrés en 2015 et au début de 2016, qui correspondent à des luminosités intégrées respectives de 2.8 fb-1 and 12.9 fb-1. Le boson de Higgs est redécouvert de façon indépendante à la nouvelle énergie. L’intensité du signal relative à la prédiction du modèle standard, la masse et la largeur de désintégration du boson sont mesurées, ainsi qu’un jeu de paramètres contrôlant les contributions des principaux modes de production attendus. Tous les résultats sont en bon accord avec les prévisions du modèle standard pour un boson de Higgs à 125 GeV, aux incertitudes de mesure près, ces dernières étant dominées par la composante statistique avec l’échantillon de données actuel. Enfin, une autre résonance se désintégrant en quatre leptons est recherchée à haute masse, et aucun excès significatif n’est observé. / This thesis reports a study of Higgs boson production in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV recorded with the CMS detector at the CERN Large Hadron Collider (LHC), exploiting the decay channel into a pair of Z bosons that in turn decay into pairs of electrons or muons (H->ZZ->4l, l = e,mu).This work is carried out in the context of the beginning of Run II of the LHC, a new data-taking period that started in 2015, following a two-year-long shutdown. This restart is marked by an increase of the centre-of-mass energy from 8 TeV to 13 TeV, and a narrowing of the spacing of proton bunches from 50 ns to 25 ns. These new parameters both increase the luminosity and set new constraints on the triggering, reconstruction and analysis of pp collision events. Therefore, considerable effort is devoted to the improvement and reoptimization of the CMS trigger system for Run II, focusing on the reconstruction and selection of electrons and on the preparation of multilepton trigger paths that preserve a maximal efficiency for the H->ZZ->4l channel.Secondly, the offline algorithms for electron and muon selection are optimized and their efficiencies are measured in data, while the selection logic of four-lepton candidates is improved. In order to extract rare production modes of the Higgs boson such as vector boson fusion, VH associated production and ttH associated production, a new classification of selected events into exclusive categories is introduced, using discriminants based on matrix-element calculations and jet flavour tagging.Results of the analysis of first 13 TeV data are presented for two data sets recorded in 2015 and early 2016, corresponding to integrated luminosities of 2.8 fb-1 and 12.9 fb-1, respectively. A standalone rediscovery of the Higgs boson in the four-lepton channel is achieved at the new energy. The signal strength relative to the standard model prediction, the mass and decay width of the boson, and a set of parameters describing the contributions of its main predicted production modes are measured. All results are in good agreement with standard model expectations for a 125 GeV Higgs boson within the incertainties, which are dominated by their statistical component with the current data set. Finally, a search for an additional high-mass resonance decaying to four leptons is performed, and no significant excess is observed.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20168号 / 理博第4253号 / 新制||理||1611(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)准教授 福間 將文, 教授 川合 光, 教授 畑 浩之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

Dark matter, the unknown matter that constitutes 85% of all matter in the universe, is one of the greatest mysteries in fundamental physics. One theory that might explain dark matter predicts that there are long-lived particles known as dark pions. If these were created in a particle accelerator, they could decay inside the detector, resulting in particles that seemingly "emerge" from nothing. This phenomenon is known as emerging jets. In this study, emerging jets are simulated with various values of the dark pion average lifetime, dark pion mass, and mediator particle mass. These simulations are compared with a search for displaced vertices conducted by the ATLAS collaboration, allowing one to reinterpret the ATLAS results to constrain the parameter values that the emerging-jets model can have. This study simulates and constrains the allowed values for the dark pion mass, dark pion average life time and mediator mass with 95% confidence level. This is the first study to use results from the ATLAS experiment to constrain the emerging-jets model, as well as the first study to exclude this region of the parameter space.

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This dissertation is focused on three lines of work. In the first part, we consider aspects of holography and gauge/gravity duality in lower and higher dimensions. In particular, we study the duality for exact solutions localized on the Randal-Sundrum 2-branes. We also test if some holographic principles in general relativity can be generalized to include higher derivative theories of gravity; namely Lovelock gravity. In the second part we consider the role of pseudo Nambu-Goldstone bosons (pNGBs) in inflationary cosmology. Specifically, we construct an inflationary model using string theory axions, and use these pNGBs to produce the observed coherent magnetic field in the Universe. The third part of the thesis is devoted to the study of the phenomenology of emergent phenomena. we investigated whether one could test if diffeomorphism invariance, the sacred symmetry of general relativity, is emergent. We also construct a new minimal vectorial Standard Model, and argue that the absence of mirror particles predicted by this model can give us a hint about the fundamental nature of space.

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京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23698号 / 理博第4788号 / 新制||理||1685(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)准教授 福間 將文, 准教授 吉岡 興一, 教授 萩野 浩一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM