Détection de matière noire avec les missions MICROSCOPE et LISA // Dark matter detection with the MICROSCOPE and LISA space missions

L'objectif principal de la mission spatiale MICROSCOPE, en opération entre 2016 et 2018, était de tester le principe d'équivalence d'Einstein, en recherchant une violation putative de la relativité générale. Aucune violation n'a été trouvée, mais les meilleures contraintes sur une telle violation [1] et sur des théories alternatives à la relativité générale [2,3] ont été améliorées de deux ordres de grandeur. De plus, un sous-ensemble initial des données MICROSCOPE a été analysé dans notre groupe pour rechercher une éventuelle violation de l'invariance de Lorentz [4], sans trouver une violation non plus, mais avec une amélioration des contraintes sur l'extension du modèle standard (SME).

Dans la récente thèse de doctorat (2021-2024) de Jordan Gué [5], nous avons exploré différentes possibilités de recherche de matière noire (DM) ultralégère (< eV) en utilisant des expériences en laboratoire et dans l'espace. Il s'avère que MICROSCOPE devrait être sensible à la DM des axions dans une région de masse et de force de couplage jusqu'ici inexplorée [6], avec une phénoménologie particulière, assez différente de celles considérées jusqu'à présent dans les analyses de données MICROSCOPE. L'un des objectifs de la présente proposition de thèse est de mettre en œuvre une telle recherche de matière noire en utilisant l'intégralité des données MICROSCOPE. De plus, nous aimerions étendre notre test d'invariance de Lorentz initial [4] à l'ensemble des données MICROSCOPE. Ces deux objectifs donneraient des résultats révolutionnaires en physique fondamentale si un indice de matière noire ou de violation de Lorentz était découvert. Sinon, d'importantes contraintes sur les modèles de matière noire et les théories alternatives seront obtenues et publiées.

Un autre résultat de la thèse de doctorat de J. Gué [5] a été l'identification d'une possibilité de détecter la matière noire en utilisant l'antenne spatiale d'interféromètre laser (LISA) [7]. LISA est la prochaine mission phare de l'ESA et de la NASA, avec pour objectif principal d'observer les ondes gravitationnelles (GW) à partir de sources astrophysiques, ainsis que de mettre en oeuvre plusieurs tests de physique fondamentale. Des études préliminaires dans [5] ont montré que LISA devrait être sensible à la DM ultralégère locale dans un certain nombre de modèles de DM, sans altérer sa capacité à observer les ondes gravitationnelles. Si cela s'avère correct, cela constituerait un nouvel objectif scientifique important de LISA, et pourrait bien conduire à une révolution dans notre compréhension de l'univers, mais à partir d'une « source » qui n'était pas prise en compte dans LISA auparavant. L'objectif de la proposition de thèse actuelle est d'explorer cette idée en plus de détail, par des simulations complètes et une analyse des données de LISA. Pour cela il faudra identifier les méthodes les plus prometteuses pour la recherche d'un signal DM dans le bruit de LISA et parmi des milliers de signaux astrophysiques.

[1] Touboul, P., et al., MICROSCOPE Mission: Final Results of the Test of the Equivalence Principle, Phys. Rev. Lett., 129, 121102, (2022).
[2] Bergé, J., et al., MICROSCOPE Mission: First Constraints on the Violation of the Weak Equivalence Principle by a Light Scalar Dilaton, Phys. Rev. Lett, 120, 141101, (2018).
[3] Bergé, J., et al., MICROSCOPE's constraint on a short-range fifth force, Classical and Quantum Gravity, 39, 204010, (2022).
[4] Bars, H. P.-l., et al., New Test of Lorentz Invariance Using the MICROSCOPE Space Mission, Phys. Rev. Lett., 123, 231102, (2019).
[5] Gue, J., Exploration of new experimental strategies for the detection of ultralight dark matter : laboratory searches on ground and in space, Ph.D. Observatoire de Paris - PSL, (2024). https://theses.hal.science/tel-04750272
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The main objective of the MICROSCOPE space mission, in operation between 2016 and 2018, was to test the Einstein equivalence principle, searching for a putative violation of general relativity. No violation was found, but the best constraints on such a violation [1] and on alternative theories to GR [2,3] were improved by two orders of magnitude. Furthermore, an initial subset from the MICROSCOPE data has been analysed in our group to search for a possible violation of Lorentz invariance [4], with also no violation found but an improvement of constraints on the Lorentz violating standard model extension (SME).

In the recent (2021-2024) Ph.D. thesis of Jordan Gué [5] we have explored different possibilities to search for ultralight (< eV) dark matter (DM) using laboratory and space experiments. It turns out that MICROSCOPE should be sensitive to axion DM in a hitherto unexplored region of mass and coupling strength [6], with a peculiar phenomenology, quite different from the ones considered so far in MICROSCOPE data analyses. One of the aims of the present thesis proposal is to implement such a dark matter search using the full MICROSCOPE data. Additionally we would like to extend our initial Lorentz invariance test [4] to the full MICROSCOPE data set. Both these objectives would yield ground breaking results in fundamental physics if a hint of either dark matter or Lorentz violation was discovered. Otherwise, important constraints on dark matter models and alternative theories will be obtained and published.

Another outcome of J. Gué's Ph.D. thesis [5] was the identification of a possibility to detect dark matter using the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) [7]. LISA is the next flagship mission of ESA and NASA, with the main aim of observing gravitational waves (GW) from astrophysical and fundamental physics sources. Preliminary studies in [5] showed that LISA should be sensitive to local ultralight DM in a number of DM models, without impairing its ability to observe GW. If this turns out to be correct, it would constitute an important new science objective of LISA, and might well lead to a revolution in our understanding of the universe, but from a “source” that was not considered in LISA before. The aim of the current thesis proposal is to further explore this idea, by full simulations and analysis of LISA data and by identifying the most promising methods of using that data.

[1] Touboul, P., et al., MICROSCOPE Mission: Final Results of the Test of the Equivalence Principle, Phys. Rev. Lett., 129, 121102, (2022).
[2] Bergé, J., et al., MICROSCOPE Mission: First Constraints on the Violation of the Weak Equivalence Principle by a Light Scalar Dilaton, Phys. Rev. Lett, 120, 141101, (2018).
[3] Bergé, J., et al., MICROSCOPE's constraint on a short-range fifth force, Classical and Quantum Gravity, 39, 204010, (2022).
[4] Bars, H. P.-l., et al., New Test of Lorentz Invariance Using the MICROSCOPE Space Mission, Phys. Rev. Lett., 123, 231102, (2019).
[5] Gue, J., Exploration of new experimental strategies for the detection of ultralight dark matter : laboratory searches on ground and in space, Ph.D. Observatoire de Paris - PSL, (2024). https://theses.hal.science/tel-04750272
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours d'accès aux contrats doctoraux

Observatoire de Paris

127 Astronomie et Astrophysique d'Ile de France

Nous recherchons un(e) étudiant(e) motivé(e) et désireux(se) de s'intégrer dans une équipe existante. Il/elle étudiera et développera les concepts théoriques et les méthodes numériques statistiques les mieux adaptés à l'exploration de la physique fondamentale dans des régions auxquelles seules les missions spatiales peuvent donner accès.
We are looking for a highly motivated student, eager to integrate into an existing team. He/she will study and further develop the theoretical concepts and statistical numerical methods best adapted for the exploration of fundamental physics in regions that only space missions can give access to.