Projet ANR-12-BS05-0006 – DMAstroLHC : La nature de la matiere noire : des astroparticules au LHC
Programme : Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (Blanc SIMI 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Madame Genevieve BELANGER (Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique Theorique)
Partenaires : Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie; Laboratoire d'Annecy-Le-Vieux de Physique Théorique; Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie
Montant : 505752.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 48 mois
Résumé : La nature de la matiere noire : des astroparticules au LHCLes résultats de nombreuses expériences en astrophysique et en cosmologie montrent que l’univers est constitué majoritairement de MN. Les expériences de recherche de MN ont atteint un tel niveau de sensibilité qu’une découverte est possible prochainement.. Elucider la nature de la mystérieuse particule formant la MN parmi une variété de candidats, chacun avec ses signatures particulières est  devenu un des principaux problèmes en physique des particules aujourd’hui.
Enjeux et objectifsLe but ultime de ce projet est la détermination des propriétés microscopiques de la MN en utilisant les dernières données du LHC ainsi que celles des recherches directes et indirectes. La complémentarité entre les différents modes de détection joue un role crucial dans l’identification de la MN. Afin d’atteindre nos objectifs, nous adoptons une stratégie permettant de couvrir plusieurs possibilités tout en réalisant des prédictions theoriques précises et fiables.
Interpretation des résultats expérimentauxParmi nos objectifs on retrouve : 1) Analyse des données du LHC dans le cadre de la collaboration ATLAS en mettant l’accent sur la recherche de nouvelle physique dans les canaux permettant de sonder la MN 2) Implications des recherches de nouvelle physique et du Higgs au LHC 3) Analyse des conséquences des résultats de AMS-02, Fermi-LAT et HESS pour les modèles de MN 4) Fits globaux aux données astroparticules et collisionneurs.
Résumé de la soumission : Les premiers indices de la présence de matière noire (MN) déduits à partir des courbes de rotation des galaxies et des amas de galaxies ont été confirmés ces dernières années par de nombreuses expériences en astrophysique et en cosmologie, notamment par la mesure précise de la densité relique de MN par WMAP. Ces résultats montrent que l’univers est constitué majoritairement de MN. Les expériences de recherche de MN ont atteint un tel niveau de sensibilité qu’une découverte est possible prochainement. La MN pourrait être facilement décrite par une nouvelle particule stable, neutre et interagissant faiblement tel qu’il en existe dans plusieurs extensions du modèle standard. Bien que ces particules aient naturellement les caractéristiques requises pour être compatible avec la valeur mesurée de la densité relique, elles ne sont pas uniques. Certaines particules interagissant extrêmement faiblement peuvent aussi être des candidats valables. Elucider la nature de la mystérieuse particule formant la MN est donc devenu un des principaux problèmes en physique des particules aujourd’hui. 2012 est une année charnière en ce qui concerne les recherches de MN compte tenu de l’effort considérable au niveau expérimental pour traquer la MN en utilisant des approches complémentaires : 1) Une des priorités du LHC est la recherche de la particule de MN. La découverte de nouvelles particules prédites dans les extensions du modèle standard permettrait de mieux définir le modèle de nouvelle physique et par conséquent les propriétés de la MN. 2) Les recherches indirectes observant les produits de la désintégration d’une paire de particules de MN s’annihilant en particules standards au centre Galactique ou dans les corps célestes montrent certains signaux incompatibles avec le fond attendu. Les mesures des spectres de photons ou d’antimatière dans une très grande gamme d’énergie seront poursuivies et améliorées par FERMI, HESS et AMS02. De plus les télescopes à neutrinos (ANTARES, ICECUBE) examineront les signatures provenant de l’annihilation de la MN au Centre Galactique ou capturée par le Soleil.	3) Les recherches directes sensibles aux interactions de la MN avec les noyaux s’effectuent avec des détecteurs d’un volume et d’une sensibilité sans précédent. Un signal positif permettrait de confirmer qu’une nouvelle particule stable forme la MN. 4) Le satellite PLANCK, lancé en 2009 devrait permettre une mesure encore plus précise des paramètres du modèle cosmologique y compris de la densité relique de MN.	Elucider la nature de la MN est un problème interdisciplinaire faisant appel aux théoriciens et expérimentateurs physiciens ou astrophysiciens des particules.  Notre collaboration a une expertise unique en ce qui concerne le développement d’outils spécifiques aux études sur la MN. Nous sommes donc à l’avant-garde pour exploiter efficacement les données attendues et contribuer à résoudre le mystère de MN.	Un des aspects les plus importants de ce projet est la complémentarité entre les différents modes de détection : la possibilité d’exploiter les données provenant des collisionneurs pour améliorer les prédictions sur les observables en astrophysique et en cosmologie ou vice-versa.
Résultats : Implication des résultats LHC sur le Higgs pour la nouvelle physique. Développement d’un code pour l’interprétation des résultats LHC dans le cadre d’extensions du MS. Développement de micrOMEGAs  pour inclure une généralisation du calcul de la densité relique et des observables du Higgs. Publication des premiers résultats de AMS.  Prédictions théoriques des spectres d’anti-protons et d’helium cosmique et contraintes sur la MN.  Le rayonnement gamma diffus et la matière noire.
Perspectives : Malgré la présence de plusieurs anomalies dans les recherches de matière noire et la découverte d’une nouvelle particule au LHC, le mystère de la matière noire reste entier. Nous allons poursuivre le développement d’outils de calculs adaptés  aux recherches de matière noire et aux simulations aux collisionneurs pour plusieurs candidats de matière noire tout en préparant  l’analyse et l’interprétation des nombreux résultats expérimentaux attendus d’ici la fin de ce projet.
Publications et brevets : G.A.Gomez-Vargas {\it et al.}, Dark Matter implications of Fermi-LAT measurement of anisotropies in the diffuse gamma-ray background,
[arXiv:1303.2154 [astro-ph.HE]]
G.Bernard, T.Delahaye, Y.-Y.Keum, W.Liu, P.Salati and R.Taillet, No More Anomaly in the TeV Cosmic Ray Proton and Helium Spectra,
  arXiv:1207.4670 [astro-ph.HE].
G.Belanger, B.Dumont, U.Ellwanger, J.F.Gunion and S.Kraml,   Status of invisible Higgs decays, arXiv:1302.5694 [hep-ph].
G.Belanger, B.Dumont, U.Ellwanger, J.F.Gunion and S.Kraml, Higgs Couplings at the End of 2012, JHEP 1302 (2013) 053
G.Belanger, R.M.Godbole, L.Hartgring and I.Niessen, Top Polarization in Stop Production at the LHC, arXiv:1212.3526 [hep-ph]
G.Belanger, K.Kannike, A.Pukhov and M.Raidal,  Z3 Scalar Singlet Dark Matter, JCAP 1301(2013) 022
G.Belanger, U.Ellwanger, J.F.Gunion, Y.Jiang, S.Kraml and J.H.Schwarz,  Higgs Bosons at 98 and 125 GeV at LEP and the LHC,
  JHEP 1301 (2013) 069
A.Chatterjee, M.Drees and S.Kulkarni,  Radiative Corrections to the Neutralino Dark Matter Relic Density - an Effective Coupling Approach,
  Phys. Rev.  D86  (2012) 105025
C.Weniger, P.D.Serpico, F.Iocco and G.Bertone,  CMB bounds on dark matter annihilation: nucleon energy-losses after recombination,arXiv:1303.0942 [astro-ph.CO].