Le Modèle Standard de la physique des particules est une théorie robuste à l'échelle électro-faible. Cependant, ce dernier possède des lacunes. Par exemple il ne permet pas d'expliquer la matière sombre, qui est une des problématiques majeures de la physique moderne. Près de 85% de la matière présente dans l'Univers n'est pas expliquée par le Modèle Standard. On l’appelle la matière sombre. Cette thèse présente une catégorie de modèles s'adressant à la problématique de la matière sombre. Ceux-ci s'appuient sur le paradigme du WIMP, qui nous enseigne qu'une particule neutre avec une section efficace électro-faible et une masse électro-faible explique à peu près l'abondance relique observée. Néanmoins, une analyse plus approfondie révèle que cette correspondance n'est en fait pas très précise puisque des masses multi-TeV pour la matière sombre sont nécessaires pour les modèles les plus simples, ce qui est 1-2 ordres de grandeur plus grand que l’échelle électro-faible. Cependant, avec un secteur sombre étendu, il est possible de maintenir la masse de la matière sombre proche de l’échelle électro-faible tout en gardant la densité relique observée. Ma thèse présente des modèles effectifs simples de matière sombre fermionique du type WIMP, ou le candidat de matière sombre est issu du mélange entre un singlet du Modèle Standard et d'un n-plet de SU(2)×U(1). La particule de matière sombre est supposée avoir une masse de l'ordre de l'échelle électro-faible, et le mélange est généré par des opérateurs de dimensions supérieures impliquant le doublet de Higgs. Lorsque la symétrie électro-faible est brisée, le boson de Higgs acquiert sa valeur moyenne dans le vide et des matrices de masse non-diagonales sont générées dans le secteur sombre. Cela engendre un mélange entre les états du secteur sombre, et les états physiques ainsi que leur masse sont obtenus en diagonalisant les matrices de masse. Pour des valeurs appropriées des paramètres, il est toujours possible d’accommoder le mélange afin de reproduire la densité relique mesurée. On parle de "well-tempered mixing" ou mélange correctement ajusté en français. Afin de stabiliser la particule de matière sombre, on doit ajouter une symétrie sous laquelle le secteur sombre est impair et le Modèle Standard est pair. Pour n impair, le n-plet est un multiplet de Majorana d'hypercharge nulle. Pour n pair, on considère un bi-multiplet d'hypercharge opposée ± 1/2 de sorte à ce qu'il forme un spineur de Dirac. On se focalise sur les contraintes liées à la densité relique et à la détection directe pour les configurations singlet-triplet, singlet-quadruplet et singlet-quintuplet. Notons que les contraintes de la détection indirecte sont moins fortes que celles issues de la détection directe. On impose une masse électro-faible pour la matière sombre afin qu'elle puisse être produite au LHC. Les résultats montrent qu'il est toujours possible de trouver un espace des paramètres, avec une masse électro-faible pour la matière sombre et redonnant la densité relique observée, qui passe les contraintes de détection directe et a fortiori indirecte. Dans la région de validité de la théorie effective, la détection directe est moins contraignante pour les grandes représentations du n-plet à cause du très faible mélange. / The Standard Model of particles physics is a well-tested theory at the electroweak scale. However this is not the end of the story. For instance, it does not solve the dark matter problem, which is one of the major issues of the modern physics. About 85% of the matter in the Universe is not describe by the Standard Model. It is called dark matter. This thesis presents a category of models responding to the dark matter problem. These models are based on the WIMP-paradigm, stating that a neutral particle with an electroweak cross-section and with an electroweak-scale mass roughly explains the observed relic abundance. Nevertheless, a closer look reveals that this correspondence is quantitatively not very precise since multi-TeV dark matter masses are required for the simplest models, which is 1-2 orders of magnitude larger than the electroweak scale. However, with an extended dark sector, it is possible to maintain the dark matter particle mass close to the electroweak scale and to keep the observed relic density. My thesis discloses simple effective models of fermionic WIMP dark matter, where the dark matter candidate is a mixture of a Standard Model singlet and an n-plet of SU(2)×U(1). The dark matter is assumed to be aroundthe electroweak scale, and the mixing is generated by higher-dimensional operators involving the Higgs doublet. Upon electroweak symmetry breaking, the Higgs takes its vacuum expectation value and non diagonal mass matrices are generated for the dark matter sector. This causes mixing between dark matter sector states, and physical states and masses are obtained by diagonalising the mass matrices. For suitable parameters, it is always possible to adjust the mixing to reproduce the observed relic density. This is reffered to as a well-tempered mixing. In order to stabilise the dark matter particle, we need to add a discrete symmetry under which the dark matter sector is odd and the Standard Model is even. For n odd, the n-plet is a Majorana multiplet with zero hypercharge. For n even, we consider a bi-multiplet with opposite hypercharges of ± 1/2 such as to form a Dirac spinor. We focus on the observed relic density and the direct detection constraints for the singlet-triplet, singlet-quadruplet and singlet-quintuplet configurations. Note that bounds from indirect detection are less stringent than those from direct detection. We impose electroweak mass for the dark matter particle such that it could be produced by the LHC. Results show that it is always possible to find a choice of parameters reproducing the observed relic density with an electroweak dark matter mass which conforms to the direct and a fortiori indirect detection constraints. In the region of validity of the effective theory, direct detection is less constraining for higher representations of the n-plet due to the tiny mixing.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:14:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 4811188 bytes, checksum: e6a9d4d69f963d42f294d99b19a7c9fb (MD5) Previous issue date: 2014-07-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Dark Matter (DM) is a key piece for our understanding of the universe evolution. Its existence has been confirmed by gravitational effects on the known matter, and we do not know its constitution just yet. The assumption that DM is composed of particles demands an extension of the Standard Model of Elementary Particles (SM). There are many experiments searching for neutral, stable, weakly interacting particles so called WIMPs, but no conclusive positive signal has been observed so far. That being said, we propose a Majorana fermion to be our DM candidate in one of the simplest minimal extensions of the SM, which adds to the scalar sector a neutral scalar that mixes to the Higgs boson. Further, we study another model which supplements the former by adding a charged scalar, which mediates interactions between the DM particle and leptons. In both models, we compute the relic density, the scattering cross section off nucleon (Direct Detection), and its annihilation rate in Standard Model particles (Indirect Detection) using the numerical package micrOMEGAs. In conclusion, we interestingly find that such models have regions of the parameter space yielding the right abundance while compatible with direct and indirect detection limits. Lastly, we investigate the possibility having the Majoron risen in our extensions as dark radiation in the light of the recent CMB spectrum analyses. / A Matéria Escura (ME) é uma peça fundamental para nosso entendimento sobre a evolução do universo. Sua existência foi confirmada pelos efeitos gravitacionais que exerce sobre a matéria que conhecemos e até hoje não sabemos sua constituição. Assumir que ela seja constituída de partículas implica na necessidade de estender o Modelo Padrão das Partículas Elementares (MP). Há vários experimentos buscando partículas neutras, estáveis e pouco interagentes conhecidas como WIMPs, mas até agora nenhum sinal positivo é conclusivo. Em vista disso, propomos um férmion de Majorana como candidato à ME em uma das extensões mais simples do MP, adicionando ao setor escalar um escalar neutro singleto que se mistura com o bóson de Higgs. Em seguida, estudamos outro modelo que acrescenta ao anterior um escalar carregado singleto mediando interações entre as partículas de ME e os léptons. Nos dois modelos, computamos a abundância relíquia, a seção de choque de espalhamento com nucleons (detecção direta) e a taxa de aniquilação de ME em partículas do MP (detecção indireta) usando o pacote numérico micrOMEGAs. Em conclusão, mostramos que esses modelos têm uma interessante região de parâmetros que fornece a abundância relíquia correta estando de acordo com os limites das detecções direta e indireta. Finalmente, investigamos a possibilidade de o majoron que aparece em nossas extensões ser radiação escura, à luz de recentes análises do espectro da radiação CMB.

Le Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM), le plus étudié des modèles de Nouvelle Physique, contient un candidat à la matière noire : le neutralino. Un des mécanismes qui permet de réduire la densité relique de neutralino jusqu'à l'intervalle expérimental de WMAP et de Planck est la coannihilation entre le neutralino et le stop. Dans cette thèse nous étudions deux aspects différents liés à la prédiction de la densité relique dans la région de coannihilation neutralino-stop, ainsi qu'au calcul des sections efficaces d'annihilation et de coannihilation correspondantes. Nous présentons tout d'abord la matière noire en tant que WIMP ainsi que le Modèle Standard de la Physique des Particules, puis nous abordons le MSSM ainsi la phénoménologie de la densité relique de neutralino. Nous étudions ensuite la phénoménologie de la violation de saveur non minimale dans le secteur des squarks dans le contexte de la densité relique de neutralino. Nous considérons des termes violant la saveur dans le secteur des squarks up et down de chiralité droite et de troisième génération et montrons qu'ils peuvent avoir un impact important sur les sections efficaces d'annihilation et de coannihilation du neutralino, et en conséquence sur la densité relique. Finalement, nous nous intéressons à la possibilité d'améliorer la précision avec laquelle la densité relique est prédite, en calculant les sections efficaces d'annihilation et de coannihilation à l'ordre supérieur dans la théorie des perturbation. En se basant sur des travaux antérieurs qui ont montré que l'impact des corrections SUSY-QCD à une boucle pour l'annihilation de neutralino était supérieur à l'incertitude expérimentale, nous avons calculé de telles corrections dans le cas de la coannihilaiton neutralino-stop en bosons de jauge électrofaibles et bosons de Higgs. / The Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), the most famous model of Physics beyond the Standard Model, provides a good dark matter candidate: the neutralino. One of the mechanisms which can reduce the predicted relic density of neutralino to the experimental range of WMAP and Planck is the coannihilation between the neutralino and the stop. In this thesis, we study two different aspects related to the prediction of the relic density in the neutralino-stop coannihilation region and the calculation of the corresponding annihilation and coannihilation cross sections. We first make short reviews of WIMP dark matter and the Standard Model of particle Physics, introduce the MSSM and discuss the phenomenology of neutralino relic density. We then study the phenomenology of Non Minimal Flavor Violation in the squark sector in the context of neutralino relic density. We consider flavor violating terms in the sectors of right handed third generation up and down squarks and show that they can have an important impact on the thermally averaged (co)annihilation cross section of the neutralino, and therefore on its relic density. Finally, we focus on the issue of improving the precision with which the relic density is calculated, by computing (co)annihilation cross sections at Next-to-Leading Order. Following earlier work in the calculation of one-loop SUSY-QCD corrections to the annihilation of neutralinos, which have shown that the impact of such corrections was larger than the experimental uncertainty, we have calculated similar corrections for the neutralino-stop coannihilation into electroweak gauge and Higgs bosons.