Search for new light bosons in high energy astronomy
Description
High-Energy astronomy studies the most violent phenomena in the universe with observations in a large spectrum of energies ranging from X rays to very high energy gamma rays (1 keV - 100 TeV). Such phenomena could be for instance supernovae explosions and their remnants, pulsars and pulsar wind nebulae or ultra relativistic jets formation by active galactic nuclei. Understanding these phenomena requires to use well-known particle physics processes. By means of high energy photons, studying such phenomena enables one to search for physics beyond the standard model. Concepts regarding the emission and propagation of high-energy photons are introduced and applied to study their emission by extragalactic sources and to constrain the extragalactic background light which affects their propagation. In this thesis, these high-energy extragalactic emitters are observed in order to search for new light bosons such as axion-like particles (ALPs). The theoretical framework of this family of hypothetical particles is reviewed as well as the associated phenomenology. In particular, because of their coupling to two photons, ALPs oscillate with photons in an external magnetic field. A new signature of such oscillations in turbulent magnetic fields, under the form of stochastic irregularities in the source energy spectrum, is introduced and discussed. A search for ALPs with the HESS telescopes with this new signature is presented, resulting in the first constraints on ALPs parameters coming from high-energy astronomy. Current constraints on ALPs at very low masses are improved by searching for the same signature in X-ray observations. An extension of these constraints to scalar field models for modified gravity in the framework of dark energy is then discussed. The potential of the search for ALPs with CTA, the prospected gamma-ray astronomy instrument, is eventually studied; in particular, a new observable is proposed that relies on the high number of sources that are expected to be discovered with this instrument. (author)
Abstract (French)
L'astronomie de haute energie se concentre sur l'etude des phenomenes les plus violents de l'univers a partir d'observations dans une gamme d'energie allant des rayons X aux rayons gammas de tres hautes energies (1 keV - 100 TeV). Ces phenomenes incluent par exemple les explosions de supernovae et leurs vestiges, les pulsars et les nebuleuses de vent de pulsar ou encore la formation de jets ultrarelativistes au niveau des noyaux actifs de galaxie. Leur comprehension fait appel a des processus de physique des particules bien connus qui seront decrits dans cette these. Par l'intermediaire de photons de haute energie, l'etude de ces phenomenes de haute energie ouvre donc une fenetre originale pour la recherche de physique au dela du modele standard. Les concepts relatifs a l'emission et la propagation de photons de haute energie sont introduits dans cette these et appliques a l'etude de l'emission de sources extragalactiques ainsi que du fond de lumiere extragalactique, affectant la propagation des photons de haute energie dans l'univers. Dans le cadre de cette these, ces sources extragalactiques de photons de haute energie sont observees afin de rechercher de nouveaux bosons legers, tels que ceux appartenant a la famille des particules de type axion (PTA). Les bases theoriques decrivant cette famille de particules sont presentees, ainsi que la phenomenologie associee. Notamment, en raison de leur couplage a deux photons, ces particules ont la propriete d'osciller avec des photons en presence de champ magnetique externe. Une nouvelle signature de la presence de telles oscillations dans des champs magnetiques turbulents, sous la forme d'irregularites stochastiques dans le spectre en energie, est etudiee et discutee. Cette signature est appliquee a la recherche de PTA avec le reseau de telescopes HESS, permettant d'obtenir pour la premiere fois des contraintes sur ces modeles a partir d'observations en astronomie gamma. La recherche de la meme signature dans des observations en rayons X permet d'ameliorer les contraintes actuelles pour les PTA de tres basse masse et l'extension de ces contraintes a des modeles de modification de la gravite comme explication de la nature de l'energie noire est egalement evoquee. Enfin, la recherche de PTA avec l'instrument d'astronomie gamma du futur, CTA, est discutee; en particulier, une nouvelle observable est proposee qui tire partie du grand nombre de sources attendu avec cet instrument
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Restricted
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Recherche de nouveaux bosons legers en astronomie de haute energie
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 220 p.
- Report number
- FRCEA-TH--7103
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 47066589
- Subject category
- S72: PHYSICS OF ELEMENTARY PARTICLES AND FIELDS; S79: ASTROPHYSICS, COSMOLOGY AND ASTRONOMY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- AXIONS; GAMMA ASTRONOMY; GAMMA RADIATION; PHOTONS; TELESCOPES
- Descriptors DEC
- ASTRONOMY; BOSONS; ELECTROMAGNETIC RADIATION; ELEMENTARY PARTICLES; GOLDSTONE BOSONS; IONIZING RADIATIONS; MASSLESS PARTICLES; POSTULATED PARTICLES; RADIATIONS
Optional Information
- Notes
- 401 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/; Also available from Service Commun de la Bibliotheque, 15 Rue Georges Clemenceau, 91400 Orsay (France)