Published September 17, 2014 | Version v1
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The high-energy universe as a laboratory for particle physics

Description

This manuscript presents part of the work that I have conducted since I joined the Particle Physics Department of the Institute of Research into the Fundamental Laws of the Universe (Irfu), at CEA Saclay. The common thread of my work is based around the idea of advancing particle physics and cosmology by performing measurements of particles in their natural environment. In a sense this approach corresponds to doing in vivo particle physics, whereas scientists working on controlled experiments such as those using particle accelerators are doing in vitro particle physics. This might be considered very ambitious but it actually recovers the tradition that led until the 50's to the discovery and the study of new particles. In 2012 a new particle has been discovered, with properties that resemble a lot to that of the Higgs particle, which is supposed to explain the masses of elementary particles. The next fundamental particle to be discovered might be the dark matter particle that could explain most of the mass of the universe, or the axion that can solve some of the inconsistencies of the standard model of particle physics. In this report it is argued that natural 'astrophysical' environments, in particular those involving high-energy phenomena, can play an essential role in this endeavor. This will mainly be illustrated by the search for a solution to one of the greatest Nature's puzzle, namely the identification of the missing mass of the universe often referred to as the dark matter problem. Over the years, the research presented in this essay has represented an excellent opportunity for me to initiate many pleasant collaborations with physicists mainly from Saclay, Paris, Annecy, Zurich, Erlangen, Tubingen, Heidelberg, Padova, Barcelona and Santa Cruz. The first chapter is a very short preamble setting the framework of my research. In particular, I introduce the reason why new yet undiscovered fundamental components might exist in the universe. The following three chapters describe part of the research activities that I conducted in that perspective. Chapter 1 is devoted to searches for particle dark matter with charged cosmic rays; some constraints on new physics models are obtained and some limitations of the method are outlined. Chapter 2 mainly deals with searches for new particles using very high-energy gamma rays. This includes dark matter in the form of weakly-interacting massive particles and axion-like particles. In chapter 3, the difficult and essential issue of building instruments capable of breakthrough in the area is addressed. This is done through the example of the development of new kinds of mirrors for ground-based gamma-ray astronomy. Of course important parts of my work do not appear in the present report. This is the case for all the ideas that turned out to be dead ends and on-going projects that are not yet fully mature. I have been involved in activities such as refereeing for peer-reviewed journals and in scientific committees, particularly with the French INSU national program PNHE (Programme National Hautes Energies) and the European Strategy for Particle Physics conducted by CERN. I have also devoted a significant fraction of my time to teaching and outreach, as well as supervising research students. I have enjoyed giving numerous seminars for the general public and secondary school students. I have also been very involved in teaching general physics to adults returning to full time education at the Universite Paris 11, as well as to the students of Ecole Nationale des Techniques Avancees and Ecole des Mines de Paris. (author)

Abstract (French)

Ce manuscrit presente une partie des travaux que j'ai menes depuis mon arrivee au Departement de physique des particules de l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu), au CEA Saclay. Le fil conducteur de mon travail repose sur l'idee de faire progresser la physique des particules et la cosmologie en effectuant des mesures de particules dans leur environnement naturel. Dans un sens, cette approche correspond a la physique des particules in vivo, alors que les scientifiques travaillant sur des experiences controlees telles que celles utilisant des accelerateurs de particules font de la physique des particules in vitro. Cela peut paraitre tres ambitieux, mais il s'agit en realite de retrouver la tradition qui a conduit jusque dans les annees 50 a la decouverte et a l'etude de nouvelles particules. En 2012, une nouvelle particule a ete decouverte, dont les proprietes ressemblent beaucoup a celle de la particule de Higgs, censee expliquer les masses des particules elementaires. La prochaine particule fondamentale a decouvrir pourrait etre la particule de matiere noire qui pourrait expliquer la majeure partie de la masse de l'univers, ou l'axion qui pourrait resoudre certaines des incoherences du modele standard de la physique des particules. Dans ce rapport, il est avance que les environnements naturels - astrophysiques -, en particulier ceux impliquant des phenomenes de haute energie, peuvent jouer un role essentiel dans cette entreprise. Cela s'illustrera principalement par la recherche d'une solution a l'une des plus grandes enigmes de la Nature, a savoir l'identification de la masse manquante de l'univers souvent appelee probleme de la matiere noire. Au fil des annees, les recherches presentees dans cet essai ont represente pour moi une excellente opportunite d'initier de nombreuses collaborations avec des physiciens principalement de Saclay, Paris, Annecy, Zurich, Erlangen, Tubingen, Heidelberg, Padoue, Barcelone et Santa Cruz. Le premier chapitre est un tres court preambule fixant le cadre de ma recherche. En particulier, j'introduis la raison pour laquelle de nouveaux composants fondamentaux encore inconnus pourraient exister dans l'univers. Les trois chapitres suivants decrivent une partie des activites de recherche que j'ai menees dans cette perspective. Le chapitre 1 est consacre a la recherche de particules de matiere noire dotees de rayons cosmiques charges; certaines contraintes sur les nouveaux modeles physiques sont obtenues et certaines limites de la methode sont soulignees. Le chapitre 2 traite principalement de la recherche de nouvelles particules utilisant des rayons gamma de tres haute energie. Cela inclut la matiere noire sous la forme de particules massives a faible interaction et de particules de type axion. Le chapitre 3 aborde la question difficile et essentielle de la construction d'instruments capables de percer dans ce domaine. Cela se fait a travers l'exemple du developpement de nouveaux types de miroirs pour l'astronomie des rayons gamma au sol. Bien entendu, des parties importantes de mon travail ne figurent pas dans le present rapport. C'est le cas de toutes les idees qui se sont revelees etre des impasses et des projets en cours qui ne sont pas encore pleinement muris. J'ai participe a des activites telles que l'arbitrage de revues a comite de lecture et dans des comites scientifiques, notamment avec le programme national francais INSU PNHE (Programme National Hautes energies) et la Strategie europeenne pour la physique des particules menee par le CERN. J'ai egalement consacre une part importante de mon temps a l'enseignement et a la sensibilisation, ainsi qu'a l'encadrement d'etudiants en recherche. J'ai eu plaisir a donner de nombreux seminaires destines au grand public et aux lyceens. J'ai egalement ete tres implique dans l'enseignement de la physique generale aux adultes reprenant des etudes a temps plein a l'Universite Paris 11, ainsi qu'aux etudiants de l'Ecole Nationale des Techniques Avancees et de l'Ecole des Mines de Paris

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Additional details

Additional titles

Original title (English)
L'univers des hautes energies en tant que laboratoire pour la physique des particules

Publishing Information

Imprint Pagination
95 p.
Report number
FRCEA-TH--16525

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
55013825
Subject category
S72: PHYSICS OF ELEMENTARY PARTICLES AND FIELDS;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
AXIONS; COSMIC RADIATION; COSMOLOGY; GAMMA RADIATION; HIGH ENERGY PHYSICS; NONLUMINOUS MATTER; WIMPS
Descriptors DEC
BOSONS; ELECTROMAGNETIC RADIATION; ELEMENTARY PARTICLES; GOLDSTONE BOSONS; IONIZING RADIATIONS; MATTER; PHYSICS; POSTULATED PARTICLES; RADIATIONS

Optional Information

Notes
202 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses