Soutenance de thèse de Sophie MUTZEL

Le couplage de l'interaction électromagnétique, $alpha$, est une pierre angulaire du modèle standard (SM) de la physique des particules. Si elle n'est pas améliorée, la précision de sa valeur à l'échelle de la masse du boson Z ($M_Z$) limitera le potentiel de découverte d'expériences auprès de futurs collisionneurs. Cette précision dépend de notre compréhension de la contribution hadronique à l'évolution de $alpha$ aux basses énergies, une région où la description du SM est entravée par les effets non linéaires de la chromodynamique quantique (QCD). Dans cette étude, nous faisons un premier pas vers la réduction de cette incertitude en calculant l'évolution hadronique de $alpha$ depuis la limite de Thomson (correspondant une l'échelle $Q^2=0$) jusqu'à l'échelle de genre espace, $Q^2=8$ GeV$^2$. Nous utilisons des simulations à grande échelle en QCD sur réseau, qui sont réalisées avec $N_f = 2 + 1+1$ saveurs de quarks ``staggered'' avec des masses ajustées à leurs valeurs physiques, et qui prennent également en compte les corrections de brisure d'isospin d'ordre dominant. Afin d'améliorer le contrôle des incertitudes systématiques, en particulier celles associées aux extrapolations nécessaires vers la limite du continu, nous divisons cette évolution en sous-intervalles, en optimisant nos analyses dans chacun d'entre eux. En particulier, nous avons développé et mis en œuvre une série de stratégies d'amélioration. Ces stratégies sont basées sur la théorie des perturbations sur réseau à courte distance, sur des théories effectives traitant de la brisure de la symétrie de ``taste'' à plus grande distance, et sur l'utilisation de 48 discrétisations du courant électromagnétique du charme. Nos résultats ont déjà des incertitudes comparables à celles obtenues dans l'approche de référence basée sur les données, et nous esquissons une feuille de route pour une réduction significative de ces incertitudes à l'avenir. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étudions un scénario permettant d'aller au-delà du modèle standard de la physique des particules en envisageant la possibilité qu'une particule de type axion (ALP) agisse comme médiateur entre les particules du modèle standard et les particules de la matière sombre. Les progrès expérimentaux ont considérablement limité l'existence d'un WIMP standard à l'échelle électrofaible qui serait produit par emph{freeze-out}. Cela a conduit à un changement de paradigme vers des scénarios alternatifs. Nous nous concentrons sur le cas où les couplages sont trop faibles pour permettre la génération de matière sombre par freeze-out et où la matière sombre est découplée thermiquement des particules du modèle standard. Cependant, des mécanismes alternatifs de génération de matière sombre comme le freeze-in et le freeze-out découplé peuvent toujours reproduire la densité relique de matière sombre observée. Après avoir déterminé la région de l'espace des paramètres pour ces scénarios, nous revisitons les contraintes expérimentales sur les axions, en particulier nous (re)calculons et améliorons les contraintes de beam dump, de saveur et de supernova. Nous constatons que dans la région du freeze-out découplé, les couplages axion-fermion sont minuscules et ne sont probablement accessibles que par des contraintes cosmologiques. Le scénario du freeze-in est possible dans un large espace de paramètres et est soumis à d'autres contraintes plus directes. Alors que certaines régions de cet espace de paramètres sont déjà exclues, une partie importante devrait être accessible à des expériences à venir, auprès de collisionneurs.

The electromagnetic coupling, $alpha$, is a cornerstone of the standard model (SM) of particle physics. If left unimproved, the precision of its value at the scale of the Z boson mass ($M_Z$) will limit the discovery potential of future collider experiments. This precision hinges on our understanding of the hadronic contribution to the running of $alpha$ at low energies, a region where the SM's description is hampered by non-linear effects in quantum chromodynamics(QCD). In this study, we take a first step in reducing this uncertainty by calculating the hadronic running of $alpha$ from the Thomson limit (at a scale $Q^2=0$) to spacelike $Q^2=8$ GeV$^2$. We employ large-scale simulations in lattice QCD, which are performed using $N_f = 2 + 1+1$ flavors of staggered quarks with masses tuned to their physical values, and which also account for leading-order isospin-breaking corrections. To improve control over systematic uncertainties, especially those associated with the necessary continuum extrapolations, we divide the running into sub-intervals, optimizing our analyses within each one. In particular, we have developed and implemented a series of improvement strategies. These strategies are based on lattice perturbation theory at short distances, effective theories addressing taste breaking at larger distances, and the utilization of 48 discretizations of the charm electromagnetic current. Our results already match the level of uncertainty achieved via the reference data-driven approach, and we outline a roadmap for a significant reduction of these uncertainties in the future. In the second part of this thesis we investigate a scenario to go beyond the standard model of particle physics by considering the possibility of an axion-like particle (ALP) acting as a mediator between SM particles and dark matter (DM) particles. Experimental advances have significantly constrained the standard electroweak-scale WIMP produced via thermal freeze-out. This has lead to a paradigm shift towards alternative scenarios. We focus on the case where the couplings are too small to allow for DM generation via freeze-out and the DM is thermally decoupled from the SM particles. However, alternative DM genesis mechanisms like freeze-in and decoupled freeze-out (DFO) can still reproduce the observed DM relic density. Having determined the region of parameter space for these scenarios, we then revisit experimental constraints on ALPs, in particular we (re)calculate and improve beam dump, flavour and supernova constraints. We find that in the DFO region, ALP-fermion couplings are tiny and are probably only accessible via cosmological constraints. The freeze-in scenario is possible in a wide parameter space and subject to other, more direct constraints. While certain regions of this parameter space are already ruled out, a significant part should be accessible to forthcoming collider experiments.