A Dark Matter through the Vector-like Portal

Although about a century has passed since its discovery, and despite the scientific and technological progress of our society has gone through, the nature of the Dark Matter (DM) is a mystery not yet solved. It is a big challenge for the scientific community, its identification would mean the understanding of what seemingly makes up 84% of the matter content in the Universe. We say “seemingly” because so far all evidences for DM are purely gravitational. This implies that what we call dark matter could be either a manifestation of our incomplete understanding of gravity on large scales, or a new form of matter, in particular a new kind of elementary particle. Among the plethora of possible DM candidates, this work will consider the Weakly Interactive Massive Particle (WIMP). Up to know the observed value for the relic abundance is the only solid parameter which we can count on, and the WIMP is the candidate that, through a fashionable mechanism of production, gives a result for the relic abundance in agreement with the cosmological observations. In order to demonstrate that this is indeed the valid explanation to the DM problem, a non-gravitational signal and also a model to interpret a possible Dark Matter message are needed. This may be expressed in various ways, and our approach is based on so-called simplified model. We have built a new t-channel simplified model which promotes a real scalar particle as DM and a vector-like fermion as mediator, dubbed the Vector-like Portal. In our framework, there are very few free parameters, the DM mass, the mass of the mediator and at least one Yukawa coupling. We have discovered an intriguing feature in the annihilation cross-section, a d-wave suppression in the limit of light final state fermions (compared to the DM mass). This seemingly innocuous observation will turn out to be crucial both for thermal freeze-out and for indirect searches for DM, for which higher order effects become relevant. In particular, we have performed a comprehensive analysis of the impact of next-to-leading order corrections to the annihilation cross-section, including coannihilation, as well as on elastic scattering processes. We have exploited the complementarity of direct, indirect and collider searches to set constraints on the parameter space of some simple vector-like portal scenarios, including coupling to Standard Model leptons, light quarks and the top quark. In addition, we have studied the phenomenological consequences of electroweak corrections and the detectability ofour candidate.Bien que presque un siècle ait passé depuis sa découverte, et malgré les progrès scientifiques et technologiques de notre société, la nature de la matière noire (MN) est un mystère irrésolu. C’est un grand challenge pour la communauté scientique, car sa découverte signifierait la compréhension de ce qui semble constituer 80 % du contenu en matière de l’univers. Nous disons “semble” car jusqu’à présent toutes les évidences de MN sont purement gravitationnelles. Cela implique que ce que nous appelons matière noire pourrait être soit une manifestation de notre compréhension incomplète de la gravité à grandes échelles, soit une nouvelle forme de matière, en particulier un nouveau type de particule élémentaire. Parmi la pléthore de candidats de MN possibles, ce travail considèrera la Weakly Interactive Massive Particle (WIMP). A ce jour, la valeur observée de l’abondance relique est le seul paramètre solide sur lequel nous pouvons compter, et la WIMP est le candidat qui, par un élégant mécanisme de production, donne un résultat pour l’abondance relique en accord avec les observations cosmologiques. Pour démontrer que cela est en effet l’explication valide du problème de la MN, un signal non gravitationnel ainsi qu’un modèle pour interpréter un possible message de MN sont requis. Cela peut s’exprimer de plusieurs façons, et notre approche est basée sur les modèles dits simplifiés. Nous avons construit un nouveau modèle simplifié avec le canal t qui promeut une particule scalaire réel comme MN et un fermion de type vector-like comme médiateur, et communément appelé le portail vector-like. Dans notre cadre, il y a très peu de paramètres libres, la masse de la MN, la masse du médiateur et au moins un couplage de Yukawa. Nous avons découvert une caractéristique intrigante dans la section efficace d’annihilation, une suppression de type d-wave dans la limite de fermions légers dans l’état final (en comparaison avec la masse de la MN). Il se trouve que cette observation, qui semble anodine au premier abord, est cruciale pour le freeze-out et pour les recherches indirectes de MN, pour lesquelles les effets aux ordres supérieurs deviennent relevants. En particulier, nous avons réalisé une analyse compréhensive de l’impact des corrections après l’ordre dominant de la section efficace d’annihilation, ainsi que des processus de diffusion élastique. Nous avons exploité la complémentarité des recherches directes, indirectes et aux collisionneurs afin de contraindre l’espace des paramètres de quelques scénarios simples de portails vector-like, dont le couplage au leptons du Modèle Standard et au quark top. De plus, nous avons étudié les conséquences phénoménologiques des corrections électrofaibles, et la détectabilité de notre candidat.Option Physique du Doctorat en Sciences