Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 1999. / Vita. Includes bibliographical references (p. 67-69).

Thesis (Ph. D.)--Carleton University, 1992. / Also available in electronic format on the Internet.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21568号 / 理博第4475号 / 新制||理||1642(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 青木 慎也, 教授 田中 貴浩, 准教授 髙山 史宏 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Population III (Pop III) stars are the first generation stars forming after the big bang from primordial gas. This dissertation is focused on the various processes that suppress and delay the formation of Pop III stars in the universe and their implications for the observations. We studied the impacts of the Lyman-Werner (LW) radiation that dissociates molecular hydrogen, baryon-dark matter streaming velocity introduced at recombination, ionizing radiation from nearby galaxies, and a model for the composition of dark matter known as the fuzzy dark matter on the formation of Pop III stars. Firstly, we take a closer look at the critical halo mass (Mcrit) that is the typical minimum dark matter halo mass needed to host cold dense gas to form the first stars using cosmological hydrodynamical simulations. LW radiation that dissociates molecular hydrogen and the baryon-dark matter streaming velocity both delay the formation of Pop III stars by increasing the critical halo mass. We describe our simulation suite with varying levels of LW radiation and streaming velocity to provide a fit for Mcrit as a function of LW radiation, streaming velocity, and redshift which can be used in semi-analytic models of early galaxy formation to make predictions for observations. Secondly, we explore a possible mechanism for the formation of large clusters of Pop III stars: a nearby ionizing source that ionizes a late forming halo, delaying its collapse until the halo is sufficiently large enough that the core can self-shield and suffer runaway collapse. We use numerical simulations to examine the fragmentation of the gas near the runaway collapse using the simple estimates and sink particles to show that the number of fragments is generally small, at most a handful, and that the mass accretion rate on the fragments is of order 10⁻³ Msun/yr. This rate is sufficiently high enough that the descent on the main sequence (and hence the suppression of accretion) is delayed until the stellar masses are of order 100-1000 Msun, but not high enough to produce direct collapse black holes of mass ~ 10⁵ Msun. The resulting clusters are larger than those produced in minihalos but are still likely to fall short of being easily detectable in James Webb Space Telescope blind fields. Finally, we investigate the formation of the first stars and galaxies in a fuzzy dark matter cosmology. Fuzzy dark matter, made up of ultra-light axions of mass ~ 10⁻²² eV, is a proposed alternative to the standard cold dark matter to solve its apparent small-scale problems. Its large de Broglie wavelength, of the order of kpc, results in the suppression of small-scale matter power, thus delaying the formation of the first stars and galaxies to lower redshift in much more massive halos. Therefore, first stars can be used to put very strong constraints on the mass of the fuzzy dark matter. We describe our cosmological simulations that accurately evolve the fuzzy dark matter distribution to study the formation of the first stars and galaxies.

Liquid Argon Time Projection Chambers (LArTPCs) represent one of the most widely utilized neutrino detection techniques in neutrino experiments, for instance, in the Short Baseline Neutrino (SBN) program and the future large-scale LArTPC: Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). The high-end technique, facilitating excellent spatial and calorimetric reconstruction resolution, also enables testing exotic Beyond Standard Model (BSM) theories, such as baryon number violation (BNV) processes (e.g., proton-decay, neutron-antineutron oscillation). At the same time, Machine Learning (ML) techniques have demonstrated their ubiquitous use in recent decades; ML techniques have also become some of the most powerful tools in high-energy physics (HEP) analyses. Furthermore, the development of algorithms to cater to the needs of problems in HEP (i.e., triggering, reconstruction, improving sensitivity, etc.) has also become an active area of research. By developing a combined approach using Convolutional Neural Network (CNN) and Boosted Decision Tree (BDT) techniques, the sensitivity of neutron-antineutron oscillation in DUNE is evaluated for a projected exposure of 400kton⋅ years. Additionally, to meet the triggering requirement to select such rare events in DUNE, such a search is only supported with highly efficient self-triggering algorithms. An ML-based self-triggering scheme for large-scale LArTPCs, such as DUNE, is also developed with the intention of implementation on field-programmable gate arrays (FPGAs). The ML-based approach for searching for neutron-antineutron oscillation can be demonstrated and validated on the current LArTPC MicroBooNE. The analysis in MicroBooNE represents the first-ever search for neutron-antineutron oscillation in a LArTPC. DUNE's projected 90％ C.L. sensitivity to the neutron antineutron oscillation lifetime is 6.45✕10³² years, assuming 1.327✕10³⁵ neutron⋅ years, equivalent to 10 years of DUNE far detector exposure (400kton⋅ years). For MicroBooNE, assuming 372 seconds of exposure (equivalent to 3.13✕10³⁶ neutron⋅ years), the 90% C.L. lifetime sensitivity is found at 3.07✕10²⁵ yrs, after accounting for Monte-Carlo statistical uncertainty and systematic uncertainty from detector effects.

Le modèle de Skyrme est une théorie des champs classique non-linéaire qui possède des solitons topologiques comme solutions. De façon innovatrice, ces solutions sont utilisées par Skyrme pour décrire les baryons. Ceci est justifié puisque le modèle est une théorie efficace de la chromodynamique quantique à basse énergie et puisque les solutions possèdent un nombre topologique conservé qu'on associe au nombre baryonique. Le modèle original permet de décrire les propriétés des nucléons avec une précision de 30% ou mieux, mais a de la difficulté à reproduire les caractéristiques des baryons de masse élevé. En effet, l'énergie de liaison des multi-skyrmions est très grande et les densités baryonique possèdent des structures spatiales complexes et de type coquille ce qui s'éloignent des observations expérimentales. On propose alors une extension du modèle afin d'améliorer précisément les deux problèmes précédents. Ce travail introduit le modèle de Skyrme quasi-BPS dont les solutions analytiques saturent presque la borne de Bogomol'nyi améliorant les prédictions de l'énergie de liaison des multi-skyrmions. Le choix d'un potentiel permettant d'obtenir des densités baryonique de configurations pleines et l'ajout de l'énergie de Coulomb et de brisure de symétrie d'isospin à la masse du skyrmion sont les contributions originales de ce travail. Ceci permet d'obtenir des meilleurs prédictions physiques pour les multi-skyrmions de nombre baryonique très élevé que dans le modèle original et l'analyticité des solutions en simplifie le traitement. Pour ces raisons, le modèle de Skyrme quasi-BPS s'avère une bonne théorie efficace pour la descriptions des noyaux atomiques.

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Le travail présenté dans ce document est dédié à l’étude des désintégrations faibles de deux baryons beaux, Λ0b (|udb>) et Ξ0b (|usb>), et utilise des échantillons de données enregistrés par l’expérience LHCb en 2011 et en 2012. La production abondante des baryons Λ0b et Ξ0b dans les collisions proton-proton ainsi que la grande probabilité pour un quark b d’hadroniser en un baryon beau au Large Hadron Collider (LHC), donne à l’expérience LHCb l’opportunité d’étudier les désintégrations multicorps sans charme de baryons beaux. Une part significative de cette étude est dédiée aux mesures des rapports d’embranchements des désintégrations sans charme à quatre corps des baryons Λ0b et Ξ0b . Dans le Modèle Standard, ces désintégrations procèdent simultanément via les transitions de quarks b→u (à l’arbre) et b→d,s (transitions à courant neutre de type pingouin). La différence de phase faible induite par cette interférence est a priori une opportunité de rechercher la violation CP dans ces désintégrations de baryons beaux. De plus, ces désintégrations sans charme à quatre corps contiennent des structures résonantes, simultanément dans la région non-baryonique de basse masse à deux corps (i.e. les masses invariantes de π+π- , K± π∓ , K+ K- ) ainsi que dans la region baryonique de basse masse (i.e. les masses invariantes de pK, pπ). Par conséquent, la différence de phases fortes induite par l’interférence de ces amplitudes peut augmenter l’effet d’une asymétrie CP . Des mesures d’asymétries CP (∆ACP ) dans les modes de désintégrations discutés plus haut sont présentées dans ce document. Certaines sont produites dans des régions de l’espace des phases afin de favoriser la présence de structures résonantes. Ainsi, sept désintégrations inclusives de Λ0b et Ξ0b sont simultanément étudiées: Λ0b→pπππ, Λ0b→pKππ, Λ0b→pKKπ , Λ0b → pKKK, Ξ0b→ pKππ, Ξ0b→pKπK et Ξ0b→ pKKK ainsi que des désintégrations spécifiques qui incluent plusieurs résonances intermédiaires comme, par exemple, Λ0b → pa1 , Λ0b→∆++ K- π- ou Λ0b → Λ∗ (1520)0 φ0 . Six modes de désintégrations sont observés, parmi lesquels quatre sont établis pour la première fois. Six mesures de rapports d’embranchements sont réalisées, et des limites à 90% et 95% degré de confiance sont placées sur le rapport d’embranchement du mode Ξ0b→ pKKK pour lequel seul un indice de son existence est obtenu. Pour les mesures de ∆ACP réalisées, aucun signe significatif de violation de CP n’est observé. / The work presented in this document is focused on the study of weak decays of two b-baryons, Λ0b (|udb>) and Ξ0b (|usb>) , by making use of data samples recorded by the LHCb experiment in 2011 and 2012. The abundant production of Λ0b and Ξ0b baryons in proton-proton collisions as well as the large probability of the hadronisation of the b quark into b-flavoured baryons at the Large Hadron Collider gives the LHCb experiment the opportunity to study multibody charmless decays of b-baryons. A significant part of the study is dedicated to the measurements of the branching fractions of Λ0b and Ξ0b in 4-body fully-charged charmless decays. They proceed in the Standard Model simultaneously through b → u transition or Flavour Changing Neutral Current (FCNC) penguin transition b → s,d. The weak-phase difference induced by this interference pattern is a priori a good opportunity to search for CP violation in these very same baryons decays. Furthermore, these charmless multibobdy decays of b baryons contain rich resonance structures, both in the low-mass two-body nonbaryonic resonances (i.e. the π+π- , K± π∓ , K+ K- invariant mass) and the low-mass baryonic resonances (i.e. the pK, pπ invariant mass). Consequently, CP asymmetries might receive significant enhancement from the strong-phase differences coming from the interference of these amplitudes. Measurements of ∆ACP in the decay modes of interest are presented in this document, including measurements in specific phase space regions (that are meant to favour resonance structures). Henceforth, seven inclusive decays of Λ0b and Ξ0b are simultaneously studied, namely Λ0b→pπππ, Λ0b→pKππ, Λ0b→pKKπ , Λ0b → pKKK, Ξ0b→ pKππ, Ξ0b→pKπK and Ξ0b→ pKKK as well as additional specific decays that include intermediate resonances, such as, for instance, Λ0b → pa1 , Λ0b→∆++ K- π- or Λ0b → Λ∗ (1520)0 φ0. Six decay modes are observed, among which four are established for the first time. Six branching fractions measurements are thus performed, and 90% and 95% confidence level intervals, based on the Feldman-Cousins confidence belt inference described are placed on the branching fraction for the Ξ0b → pKKK decay mode, for which only a hint of its existence is obtained. No significant CP -violation effect is observed in any of the ∆ACP measurement performed.

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Ce travail est composé de deux parties.<br /><br />La première partie concerne l' étude de l'amas de galaxies Abell 85 en utilisant les données en rayons X du satellite ROSAT ainsi que des données optiques et radio. Plusieurs méthodes d'analyse ont été appliquées aux données. Nous avons ainsi pu étudier des régions particulières de l'amas comme la partie centrale, siège des courants de refroidissement ou la région de la radiosource 0038-096 où la mesure des flux X et radio a permis d'obtenir la valeur du champ magnétique.<br /><br />Une seconde partie du travail a consisté à étudier les <br />caractéristiques des courants de refroidissement ainsi que la masse de gaz et de matière noire dans 11 amas de galaxies, grâce à un programme conçu pour ajuster les données de ROSAT. Nous avons également obtenu la fraction de baryons de ces amas et discuté les conséquences cosmologiques des valeurs obtenues.