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H/F Doctorant(e) en physique théorique sur le sujet "Solutions du problème de la saveur grâce aux théories effectives"

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : jeudi 29 juillet 2021

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Informations générales

Référence : UMR9012-ALEHEN-025
Lieu de travail : ORSAY
Date de publication : jeudi 8 juillet 2021
Nom du responsable scientifique : Sebastien DESCOTES-GENON
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Motivés par les récentes divergences entre le Modèle Standard (SM) et les mesures expérimentales des désintégrations des mésons B, nous envisageons d'exploiter ces indices de Nouvelle Physique (NP) pour formuler une théorie de la saveur qui expliquerait les modèles hiérarchiques des masses et mélanges de fermions observés, c'est-à-dire le problème de la saveur. Nous formulerons une théorie effective des champs (EFT) pour étudier ces déviations et pour sonder la NP avec la violation de CP et la violation de la saveur des leptons, comme prévu dans de nombreux scénarios de NP. Nous utiliserons les équations du groupe de renormalisation pour comprendre les corrélations entre les différentes transitions, en étudiant l'impact des hypothèses sur la structure de saveur des coefficients effectifs aux échelles de haute énergie. A partir des données, nous contraindrons les contributions à courte distance de NP et identifierons les symétries de saveur potentielles qui pourraient expliquer les déviations spécifiques observées sans mettre en danger le bon accord global des données avec le SM. Cela nous conduira à proposer de nouvelles observables (en particulier pour les expériences LHCb et Belle II) confirmant la validité des symétries de saveur proposées et à discuter des modèles de NP complets dans l'ultraviolet qui pourraient les suivre.
L'origine de la saveur des quarks et des leptons reste l'une des grandes questions ouvertes de la physique théorique. Alors que le secteur de jauge du Modèle Standard (SM) est entièrement fixé par la symétrie de jauge et qu'elle a été testée au niveau des boucles avec une précision impressionnante, notre compréhension de la saveur reste insatisfaisante. La nature apparaît en trois copies presque identiques de quarks et de saveurs, et les masses et mélanges de fermions sont décrits par de nombreux paramètres libres qui sont bien pris en compte par le SM. Les modèles hiérarchiques des masses et des mélanges de fermions observés, également connus sous le nom de problème de la saveur, suggèrent l'existence d'une théorie de la saveur au-delà du SM qui pourrait expliquer ces caractéristiques en termes de paramètres moins nombreux et plus fondamentaux.
Les solutions dynamiques au problème de la saveur devraient s'accompagner de nouveaux degrés de liberté massifs (nouvelles particules, nouvelles interactions) qui peuvent potentiellement laisser des empreintes sur les observables étudiés dans les expériences à basse énergie. La frontière dite de précision consiste à comparer les quantités mesurées avec précision aux prédictions théoriques exactes faites dans la SM, afin de sonder ces effets de nouvelle physique (NP). En raison de la grande différence d'énergie entre l'échelle de cette NP et celle de ces expériences, l'outil des théories des champs effectives (EFT), développé au cours des dernières décennies, est particulièrement approprié.
Récemment, plusieurs indices cohérents de NP ont été observés dans les processus de saveur, en particulier dans les désintégrations des hadrons b à l'expérience LHCb et dans les usines à B (transitions b -> c et b -> s) [1]. Si ces résultats sont confirmés par des données futures, ils pourraient constituer une première preuve de l'existence de NP dans les expériences de collision, avec une forte structure hiérarchique parmi les familles de fermions. D'autre part, on a constaté que de nombreuses autres désintégrations suivent les prédictions du SM avec une grande précision, une fois que ses paramètres libres sont fixés par l'expérience. Cela fournit des contraintes et des indices importants pour expliquer ces divergences et, plus généralement, pour résoudre le problème de la saveur en introduisant de nouveaux phénomènes, au-delà du SM.
L'objectif principal de cette thèse consistera à utiliser l'approche EFT pour dériver des corrélations entre les différentes quantités qui sont actuellement étudiées expérimentalement dans les désintégrations des mésons K, D et B, ainsi que dans les observables leptoniques, et d'étudier leurs implications dans les scénarios ultraviolets (complets à haute énergie). Les indices cohérents observés dans les désintégrations de mésons B suggèrent une hiérarchie frappante entre les familles pour ces effets potentiels NP. Cela fait écho à l'étonnante hiérarchie observée parmi les saveurs concernant les masses et les couplages du point de vue du SM, et on peut espérer que la compréhension de ces deux types de hiérarchies aidera à démêler les NP responsables des deux structures.
Le doctorat se concentrera sur deux aspects qui n'ont pas encore été abordés en détail, à savoir la possibilité d'une NP présentant la violation de la symétrie CP ou du nombre de saveurs leptoniques, dans de rares transitions semi-leptoniques :
- On sait que la violation de CP est brisée dans le secteur des quarks, qui a été sondé au cours des dernières décennies et qui suit le mécanisme Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) intégré dans les trois générations du SM. La symétrie CP est également soupçonnée d'être brisée dans le secteur des leptons, qui est l'une des principales cibles des expériences d'oscillation des neutrinos. Le grand nombre de données expérimentales provenant des usines B et de LHCb est une source importante d'informations et de contraintes sur CP, qui a été utilisée pour établir la cohérence de l'image de CP dans le secteur des quark. Cependant, de nouvelles sources de violation de CP dans de rares transitions semi-leptoniques restent encore assez peu contraintes.
- La conservation de la saveur des leptons est une symétrie accidentelle du SM qui doit être brisée, puisque les neutrinos sont massifs et oscillent. Cependant, la petitesse des masses des neutrinos garantit que toutes les désintégrations avec violation de la saveur du lepton (LFV) sont fortement supprimées et ne sont pas observables dans le SM modifié au minimum pour tenir compte des masses des neutrinos. Ces processus sont donc des sondes très propres de la physique au-delà du SM. Au cours des dernières années, un effort expérimental important a été réalisé pour sonder les processus LFV dans le secteur leptonique, ce qui nous a permis de dériver des limites strictes sur l'échelle des opérateurs pertinents [2]. D'autre part, les désintégrations LFV des hadrons ont reçu moins d'attention dans le passé, tant sur le plan théorique qu'expérimental, bien qu'elles soient tout aussi intéressantes et complémentaires aux sondes purement leptoniques [3]. Les expériences actuelles telles que NA62, LHCb et Belle-II offrent de nombreuses possibilités de sonder ces transitions dans un avenir proche.
[1] “Review of Lepton Universality tests in B-decays”, S. Bifani, S. Descotes-Genon, A. Romero Vidal, M.H. Schune, J.Phys.G 46 (2019) 2, 023001, hep-ex: 1809.06229.
[2] “Charged Lepton Flavour Violation: An Experimental and Theoretical Introduction”, Lorenzo Calibbi, Giovanni Signorelli, Riv.Nuovo Cim. 41 (2018) 2, 71-174, hep-ph: 1709.00294.
[3] “Lepton Flavor Violation and Dilepton Tails at the LHC”, A. Angelescu, D. A. Faroughy, O. Sumensari, Eur.Phys.J.C 80 (2020) 7, 641, hep-ph: 2002.05684.

Contexte de travail

Le Laboratoire de Physique des 2 infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab) est une unité mixte de recherche sous tutelle du CNRS (IN2P3), de l'Université Paris-Saclay et de l'Université de Paris, située sur le campus d'Orsay de l'Université Paris-Saclay à Orsay. Le campus est situé à 20 km au sud de Paris et est facilement accessible par le RER en 35 minutes. L'IJCLab est né en 2020 de la fusion de cinq unités (CSNSM, IMNC, IPN, LAL, LPT). Le personnel est composé de près de 560 membres permanents (340 ingénieurs, techniciens et administratifs et 220 chercheurs et enseignants-chercheurs) et d'environ 200 membres non permanents dont 120 doctorants. Les thèmes de recherche du laboratoire sont la physique nucléaire, la physique des hautes énergies, la physique théorique, les astroparticules, l'astrophysique et la cosmologie, les accélérateurs de particules, l'énergie et l'environnement et la santé. L'IJCLab dispose de capacités techniques très importantes (environ 280 ingénieurs et techniciens) dans tous les grands domaines requis pour concevoir, développer / mettre en œuvre les dispositifs expérimentaux nécessaires à son activité scientifique, ainsi que la conception, le développement et l'utilisation d'instruments technologiques.
Le projet de recherche se déroulera au Pôle Théorie du Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie. La thèse de doctorat s'appuiera sur un solide bagage théorique en théorie quantique des champs, suivi d'une étude continue des aspects phénoménologiques de la physique des saveurs et d'une étude de la construction de modèles pour concevoir des scénarios de PN. Le doctorant sera encadré par Olcyr Sumensari (récemment embauché par le CNRS en tant que chercheur permanent) et Sébastien Descotes-Genon (HdR), qui ont tous deux développé un travail important et des connaissances reconnues sur les différentes composantes du sujet de thèse. En plus des deux directeurs de thèse, le doctorant bénéficiera de l'environnement de recherche offert par le Pôle Théorie, qui présente une expertise exceptionnelle en physique des saveurs (phénoménologie, théories effectives des champs, construction de modèles, connexion avec la physique des neutrinos et les expériences à haute température, simulations QCD en treillis...).
Le projet bénéficiera naturellement de la présence de fortes équipes LHCb et Belle II dans le Pôle PHE de l'IJCLab avec une expertise internationalement reconnue dans l'étude expérimentale et l'analyse des processus de saveur (désintégrations de b-hadrons, recherches de violation de la saveur leptonique et étude de l'universalité de la saveur leptonique). Le doctorant et ses superviseurs bénéficieront en particulier d'interactions régulières avec Karim Trabelsi (Belle II) et Yasmine Amhis (LHCb).
Plus globalement de l'environnement théorique et expérimental offert par les laboratoires de la grande région parisienne. Des collaborations avec les théoriciens et expérimentateurs des laboratoires de Barcelone (Espagne), Ljubljana (Slovénie) et Zurich (Suisse) sont également prévues.

Contraintes et risques

Le (la) candidat(e) retenu(e) devra être inscrit(e) au programme de l'école doctorale PHENIICS et suivre ses sessions de formation. La plupart des travaux seront effectués à l'IJCLab. La participation à des conférences et ateliers internationaux de l'école est prévue. Des visites de courte ou longue durée dans les laboratoires suivants peuvent être effectuées à des fins de recherche : Barcelone, Zurich, Ljubljana.

Informations complémentaires

Le sujet du doctorat requiert les connaissances et les outils nécessaires à la plupart des activités de recherche en physique théorique des hautes énergies. D'une part, l'étudiant apprendra à comprendre le langage de la théorie effective des champs qui est maintenant universellement utilisé pour analyser et comprendre les données de physique des hautes énergies. D'autre part, l'étudiant travaillera sur des modèles spécifiques de Nouvelle Physique et déterminera certaines de leurs conséquences phénoménologiques en lien avec les expérimentateurs. Le sujet nécessite donc naturellement des calculs de Théorie des Champs Quantiques, des analyses statistiques et des études phénoménologiques en contact avec l'expérience. Le sujet de thèse permettra à l'étudiant de se familiariser avec une large gamme de logiciels de calcul analytique (en particulier Mathematica) et d'études numériques (outils d'analyse d'ajustement global). Le doctorant aura également l'occasion de discuter de son travail avec des théoriciens et expérimentateurs locaux des laboratoires P2IO mais aussi avec des collègues théoriciens en Espagne, en Suisse et en Slovénie ainsi que dans des conférences, ateliers et séminaires, fournissant déjà un réseau étendu pour d'éventuelles opportunités post-doctorales dans le futur. Enfin, il y aura un ou plusieurs stages M1/M2 proposés pendant la période de doctorat en relation avec le sujet de la thèse, et le doctorant aura l'opportunité d'être impliqué dans la supervision de ces stages avec Olcyr Sumensari et Sébastien Descotes-Genon.

IJCLab étant soumis à la réglementation militaire ZRR (Zone à Régime Restrictif), les choix d'embauche doivent être approuvés par le Haut Fonctionnaire Sécurité Défense (HFSD). Par conséquent, la date d'embauche indiquée ci-dessus doit être considérée comme provisoire et peut être reportée.

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