N.B. : Dernière modification le 2024-10-14.

Éditeur de la page : F. NORTIER

Théorie

Les activités de recherche des équipes de physique théorique de l’IP2I Lyon couvrent un champ très large de sujets, allant de l’infiniment petit à l’infiniment grand : des propriétés des constituants ultimes de la matière, à des questions reliées aux structures de l’univers à grande échelle. L’objectif ultime est de fournir des modèles théoriques pour expliquer les résultats expérimentaux, ou de faire des prédictions théoriques qui pourraient être testées expérimentalement. Nos activités sont séparées en 3 équipes, avec des collaborations fréquentes :

Particules, champs et cordes
Physique nucléaire et hadronique
Astro et ondes gravitationnelles

Photo de groupe du printemps 2024.

N.B. : Dernière modification le 2024-10-06.

Éditeur de la page : F. NORTIER

Particules, champs & cordes

Responsable : Aldo DEANDREA

Des particules aux cordes.

Membres

Permanents & Permanentes

Aldo DEANDREA (PR)
François GIERES (PR)
Stefan HOHENEGGER (MCF, en détachement à Naples U.)
Farvah Nazila MAHMOUDI (PR)
Florian NORTIER (CR)
Dimitrios TSIMPIS (PR)

Émérites

Visiteurs & Visiteuses

Postdoctorants & Postdoctorantes

Doctorants & Doctorantes

Thématiques de recherche

Physique des particules
- Physique du boson de Higgs
- Physique des saveurs
- Phénoménologie des collisionneurs
- Physique au-delà du Modèle Standard
- Astroparticules, cosmologie et trous noirs
Théories des champs et des cordes
- Superespace, corrections d’ordre supérieur et condensats fermioniques
- Compactification de flux, NATD et troncatures cohérentes
- Les petites cordes et la U-dualité
- Monodromies dans des amplitudes de cordes à une boucle
- Modèles de théorie des champs dans des espaces ordinaires et non commutatifs
- Théories des champs non-localisables

Activités de recherche

Physique des particules

La physique des hautes énergies est consacrée à l’étude des interactions fondamentales entre particules élémentaires. La théorie des interactions fondamentales actuellement admise – le Modèle Standard (SM) – s’est montrée extrêmement précise pour décrire les constituants ultimes de la matière mesurables expérimentalement. Il existe pourtant de sérieuses raisons de penser qu’elle ne peut représenter une théorie complète des lois de la nature et nous consacrons une partie de nos recherches à l’étude de différentes théories allant au-delà du SM, dont le but est de décrire cette Nouvelle Physique (NP).

Tableau des particules élémentaires.

Physique du boson de Higgs

Contacts : A. DEANDREA, F.N. MAHMOUDI & F. NORTIER

Le champ de Higgs est à l’origine de la masse des particules élémentaires du SM. La découverte de sa signature principale, le boson de Higgs, nous a donné de nouveaux outils pour étudier la physique de la brisure spontanée de la symétrie électrofaible.

À gauche : Potentiel en « sombrero » du champ de Higgs. À droite : Diagrammes de Feynman des modes de production du boson de Higgs au LHC, et graphique circulaire des rapports d’embranchement (BR) de ses principaux canaux de désintégration.

L’équipe a proposé une nouvelle paramétrisation des couplages du boson de Higgs, ce qui permet d’extraire directement les contributions de boucles de la Nouvelle Physique (NP). Nous avons étendu nos études grâce à l’inclusion d’un second boson de Higgs, et nous collaborons avec CMS pour l’interprétation des résultats de masse faible. Nous travaillons sur la caractérisation du secteur de Higgs supersymétrique et composite, ainsi que sur les perspectives des futurs collisionneurs comme le FCC.

Physique des saveurs

Contact : F.N. MAHMOUDI

La physique des saveurs est au cœur de nombreux mystères sans réponse dans le SM et est intimement liée au secteur de Higgs via les couplages de Yukawa. Ainsi, résoudre le puzzle de la saveur, c’est chercher à élucider la ou les origines de : la réplication en générations des fermions, leur hiérarchie de masse, la masse des neutrinos, les textures particulières des matrices de mélange des quarks et neutrinos, et l’asymétrie matière-antimatière via la violation de CP.

À gauche : La légende voudrait que Murray Gell-Mann et son étudiant Harald Fritzsch aient eu l’idée de distinguer les quarks par leur « saveur » et leur « couleur » en 1971, alors qu’ils testaient différents parfums de glace. Au centre et à droite : Exemples de diagrammes de Feynman, dits « manchots » (de l’anglais « penguin », bien qu’on trouve souvent la mauvaise traduction française « pingouin » qui correspond à « auk » en anglais), en physique des saveurs dans le SM (au centre) et dans un modèle supersymétrique (à droite).

La physique des saveurs est devenue un secteur émergent pour sonder de nouveaux phénomènes, principalement en raison de l’apparition de plusieurs écarts aux prédictions du SM dans les désintégrations semi-leptoniques des mésons B. L’équipe travaille sur les calculs de précision de ces observables, et plus précisément le calcul des effets hadroniques locaux et non-locaux. Cela constitue un important challenge dans le domaine, et un passage nécessaire pour distinguer sans ambiguïté les effets hadroniques du SM de potentiels phénomènes de NP. Nous avons récemment proposé une nouvelle méthode de calcul des facteurs de forme locaux pour réduire les incertitudes théoriques systématiques. Nous travaillons également sur l’interprétation théorique de ces anomalies dans un contexte de NP. Pour cela, nous considérerons des approches en théorie des champs effectives, avec des « fits » multidimensionnels des observables, ainsi que des modèles UV spécifiques (modèles supersymétriques, secteur scalaire étendu, etc). Enfin, nous travaillons au développement de codes numériques qui permettront d’étudier les implications phénoménologiques des données expérimentales. Notre but est en particulier d’automatiser le calcul des observables de saveur dans tout modèle de NP. Ainsi, le code public SuperIso, pour le calcul des observables de la physique des saveurs, a été considérablement amélioré ces dernières années.

Phénoménologie des collisionneurs

Contacts : A. DEANDREA & F.N. MAHMOUDI

Les collisions de protons à haute énergie continuent de fournir de nouveaux résultats de haute précision dans des régions énergétiques jusqu’ici inexplorées. Ces résultats peuvent être utilisés pour tester des théories au-delà du SM.

Simulation des gerbes de particules subatomiques produites dans le détecteur CMS, lors de la collision de faisceaux protons-protons au CERN LHC.

L’équipe a développé une expertise de niveau international dans la phénoménologie des quarks vectoriels lourds, du Higgs composite, de la supersymétrie, et avons mis au point plusieurs outils numériques pour la détection de telles particules au LHC. Nous avons implémenté des quarks vectoriels avec des couplages génériques dans des outils de Monte Carlo tels que MadGraph, permettant des études indépendantes des modèles. Les effets NLO dans la QCD sont également inclus, et nos outils sont régulièrement utilisés par des collaborations expérimentales, telles que CMS, pour la production de données Monte Carlo. Nous continuons de développer le code public MARTY, dont le but est d’effectuer des calculs automatiques d’amplitudes, de sections efficaces et de coefficients de Wilson dans tout modèle de NP. L’équipe est impliquée dans la préparation scientifique des futurs collisionneurs, notamment les FCC electron-positron et proton-proton, et attend avec impatience le démarrage du HL-LHC.

Physique au-delà du Modèle Standard

Contacts : A. DEANDREA, F.N. MAHMOUDI, F. NORTIER & D. TSIMPIS

Au-delà du puzzle des saveurs, il y a plusieurs motivations pour construire des extensions du SM, comme la matière noire, le problème de hiérarchie électrofaible, le problème CP fort, l’unification des couplages de jauge, la gravité quantique, etc.

Illustration artistique de différents sujets de physique au-delà du SM, représentés par des îles séparées par des mers d’inconnus.

L’équipe a développé une expertise dans différentes classes de modèles : dimensions supplémentaires, modèles composites, supersymétrie, secteurs scalaires étendus, matière noire. Le recrutement de F. NORTIER nous a permis d’acquérir une nouvelle expertise sur les modèles faiblement non-locaux avec mélange UV/IR. En ce qui concerne les modèles avec dimensions supplémentaires, nous avons proposé de nouveaux modèles pour les candidats de matière noire issus de symétries géométriques. Nous avons étudié des modèles « d’unification jauge-Higgs », et montré la possibilité d’une unification des couplages de jauge et de Yukawa. Actuellement, nous construisons des modèles phénoménologiques avec des compactifications sur des géométries hyperboliques, telles que les nilvariétés et leurs implications pour les scénarios d’unification jauge-Higgs. En parallèle, nous développons des modèles de grande unification asymptotique, avec des candidats de matière noire appelés « Indalos ». Quant aux modèles de Higgs composite, nous étudions la phénoménologie de nouvelles résonances prédites par ces modèles, et nous avons développé des complétions UV avec des constituants fondamentaux fermioniques. De plus, nous avons étudié les contraintes de saveur sur les modèles composites ou avec des dimensions supplémentaires. Enfin, nous participons au développement du code GAMBIT, dont le but est de réaliser des « fits » globaux pour des scénarios génériques de NP.

Astroparticules, cosmologie et trous noirs

Contacts : A. DEANDREA, F.N. MAHMOUDI, S. HOHENEGGER & D. TSIMPIS

Les liens avec la physique des astroparticules et la cosmologie sont d’une grande importance pour comprendre les propriétés de la physique au-delà du SM, en particulier par sa relation avec la matière et l’énergie noires, qui constituent la majeure partie de la composition totale actuelle en énergie de l’Univers observable.

À gauche : Vue schématique de l’expansion de l’Univers durant son histoire cosmologique. À droite : Diagramme circulaire de la composition actuelle en énergie de l’Univers.

Les activités de l’équipe sur la matière noire se concentrent sur la recherche de nouvelles particules par détection directe ou indirecte, la densité relique de la matière noire et les liens avec la physique des collisionneurs. Le code SuperIso Relic a été développé afin de fournir un outil de calcul pour différents observables en relation avec la matière noire et la physique des particules. Au départ consacré à la supersymétrie (SuperIso), le code est actuellement développé pour permettre une implémentation flexible et générique de tous les types de scénarios de la physique au-delà du SM. De plus, nous avons étudié les liens avec la cosmologie primordiale, et montré que la découverte de nouvelles particules permettra d’obtenir des informations sur le contenu de l’Univers avant la nucléosynthèse primordiale, malgré le fait que cette ère soit actuellement inobservable. En 2022, le code DarkPACK a été publié : interfacé avec MARTY et SuperIso Relic, il génère automatiquement une librairie numérique d’amplitudes de diffusion dans un modèle donné pour calculer les observables de la matière noire, comme la densité relique. En ce qui concerne la cosmologie, nous avons récemment réalisé un modèle composite de l’inflation, en utilisant une construction similaire à celle des modèles de Higgs composite, et nous étudions des réalisations en théorie des cordes de modèles d’énergie noire, comme la quintessence. Quant à la physique des trous noirs, nous avons développé une approche de théorie effective pour inclure des corrections quantiques à la géométrie classique de Schwarzschild, et nous avons étudié l’impact théorique de dimensions supplémentaires et de la « conjecture de gravité faible » sur les modes quasi-normaux des trous noirs.

Théories des champs et des cordes

N.B. : Les sections marquées d’un astérisque nécessitent une mise à jour.

Le problème d’une complétion UV à la gravité quantique a motivé le développement de la théorie des cordes. La recherche d’une formulation non-perturbative, la « Théorie M », est toujours un domaine de recherche actif de nos jours. Cependant, les applications récentes de la théorie des cordes dépassent largement son cadre originel. Elles sont à l’origine de nombreux résultats formels en théorie des champs, qui ont permis des percées importantes pour comprendre les interactions fortement couplées dans des théories « jouets » supersymétriques, comme avec la correspondance AdS/CFT ou encore la dualité électrique-magnétique. La théorie des cordes a également stimulé l’étude de théories des champs non-locales et/ou non-commutatives.

Superespace, corrections d’ordre supérieur et condensats fermioniques*

Contact : D. TSIMPIS

L’action effective de la M-théorie/théorie des cordes admet une tour infinie de corrections dérivées, jouant un rôle crucial dans des domaines tels que les trous noirs, la cosmologie et la dualité AdS/CFT. Nous avons appliqué des méthodes de superespace pour contraindre la forme des invariants de la M-théorie. Les outils développés ont été utilisés afin de déterminer les termes de fermion quartique de la supergravité IIA et leur impact sur la recherche de solutions de Sitter.

Compactification de flux, NATD et troncatures cohérentes*

Contact : D. TSIMPIS

La compactification de flux (FC) désigne la configuration la plus générale dans laquelle les différents champs de tenseurs de la théorie des cordes sont activés, ce qui permet de résoudre le « problème des modules ». Nous avons utilisé la géométrie généralisée et les G-structures pour découvrir certaines périodicités et caractéristiques générales des fonds de FC. Ces outils ont également été utilisés pour faire la lumière sur la T-dualité non abélienne, et pour construire des troncatures cohérentes admettant des solutions de Sitter.

Les petites cordes et la U-dualité*

Contact : S. HOHENEGGER

Les théories des petites cordes sont une catégorie de théories quantiques complètes, non locales et ultraviolettes, en interaction, en six dimensions (ou moins). Une grande partie de ces théories n’ont pas de description lagrangienne et sont donc notoirement difficiles à décrire avec les seules méthodes de la théorie des champs. Cependant, leur lien avec la théorie des cordes nous fournit de nombreuses approches et outils nouveaux qui permettent d’analyser les aspects non perturbatifs de ces théories. Dans une série de travaux, nous avons montré que diverses incarnations de la U-dualité des cordes conduisent à des dualités et des symétries remarquables entre ces théories de jauge, qui sont intrinsèquement de nature non-perturbatrice. Ces symétries nous permettent une meilleure compréhension des théories de jauge, ainsi que la construction de nouvelles théories. Nous poursuivrons cette approche, en nous concentrant en particulier sur les dualités non perturbatives entre des théories ayant un contenu de matière et de jauge différents.

Monodromies dans des amplitudes de cordes à une boucle*

Contact : S. HOHENEGGER

Les amplitudes de diffusion au niveau des arbres à N points dans la théorie des cordes ouvertes sont décrites comme des fonctions de corrélation sur le disque de la feuille d’univers. Il est possible d’établir des relations de monodromie qui ont été déterminantes dans l’étude (et la solution) des amplitudes de diffusion des cordes au niveau des arbres. Une généralisation de ces relations aux amplitudes à une boucle a été effectuée, donnant de nouvelles relations entre les amplitudes de diffusion des chaînes à une boucle.

Les théories de compactification toroïdale de la supergravité vers des dimensions inférieures révèle la présence de symétries exceptionnelles, qui ne peuvent être expliquées par la géométrie riemannienne de la variété interne seule (ou toute autre symétrie « conventionnelle » au sein même de SUGRA). Ce sont des vestiges de la théorie de la U-dualité U des cordes (ou M-théorie), qui font allusion à des structures plus complexes à des échelles d’énergie plus élevées. Comme ces symétries exceptionnelles sont difficiles à expliquer dans le cadre des théories standard de la SUGRA, on a tenté d’étendre les versions à dimensions plus élevées de ces dernières de manière à rendre l’apparition des symétries exceptionnelles manifeste lors de la compactification. Les théories qui en résultent sont appelées théories exceptionnelles des champs. L’idée de base derrière ces constructions est un espace-temps étendu, qui permet une réalisation géométrique du groupe de la U-dualité. Nous explorons différentes possibilités pour formuler les théories de supergravité (3,1) et (4,0) dans le cadre des théories exceptionnelles de champ.

Modèles de théorie des champs dans des espaces ordinaires et non commutatifs*

Contacts : F. GIERES & S. HOHENEGGER

Nous avons fourni une procédure d’amélioration pour construire un tenseur de jauge-invariant, symétrique en énergie-momentum. Nous avons généralisé les équations de Wong à l’espace non-commutatif et déterminé les propriétés du tenseur énergie-momentum des champs de jauge couplés à la matière. Nous avons étudié des modèles théoriques de champs sur des espaces déformés et obtenu des lois de conservation locales ainsi que des équations d’équilibre pour les champs en interaction sur ces espaces.

Théories des champs non-localisables

Contact : F. NORTIER

Les théories des champs non-localisables ont connu un regain d’activité ces 15 dernières années, notamment pour résoudre le problème de complétion UV de la gravité ou le problème de la hiérarchie électrofaible. Lorsque la non-localité est introduite via des facteurs de forme dans le lagrangien classique, une tour infinie de fantômes d’Ostrogradsky apparaît en général lors de la brisure spontanée d’une symétrie. Nous avons récemment développé un nouveau formalisme où les facteurs de forme sont introduits via un produit-étoile covariant entre les champs qui évite cet écueil. Nous travaillons actuellement à relier ces théories aux complétions UV par classicalisation, exhibant un mélange UV/IR via le phénomène d’écrantage de Vainshtein.

N.B. : Page en construction.

Éditeurs de la page : M. BENDER & F. NORTIER

Physique nucléaire & hadronique

Responsable : Michael BENDER