Next-to-simplified dark matter models

• Autores: Javier Quilis
• Directores de la Tesis: Alberto Casas González (dir. tes.), Roberto Ruiz de Austri Bazán (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2009
• Idioma: español
• Número de páginas: 126
• Tribunal Calificador de la Tesis: Nuria Rius Dionis (presid.), L. Enrique Fernandez Martinez (secret.), Malcolm Fairbairn (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física Teórica por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Física
    • Física teórica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    La materia oscura constituye el 27% del contenido de energ a del universo. Sin embargo, la naturaleza de la materia oscura es un misterio. El Modelo Est andar no contiene ninguna respuesta razonable para resolver este problema, por tanto es necesario una teor a m as all a del Modelo Est andar. En este contexto, los modelos simpli cados de materia oscura son una buena primera aproximaci on para resolver este problema. No obstante, los modelos simpli cados est an limitados por su simplicidad y en muchos casos las b usquedas experimentales ponen varios l mites en ellos, restringiendo considerablemente el espacio de par ametros. Por estas razones, un paso m as all a es necesario. Una manera de darlo es aumentar el n umero de part culas del modelo, buscando con guraciones m as realistas.

    En esta tesis adoptamos esta idea de ir m as all a de los modelos simpli cados y estudiamos dos modelos relevantes en el contexto de portales de materia oscura. En el primero revisamos el conocido portal de Higgs con un escalar singlete, uno de los modelos de materia oscura m as simple, que consiste en un escalar singlete acoplado al bos on de Higgs. Este modelo tiene un gran inter es debido a que, con solo una part cula extra, es capaz de reproducir la densidad de materia oscura y tiene una rica fenomenolog a. Sin embargo, desde que se postul o, b usquedas experimentales han testado el modelo poniendo l mites fuertes en el espacio de par ametros y a d a de hoy est a cerca de ser excluido. Una sencilla manera de relajar estas restricciones es extender el sector oscuro. En esta tesis estudiamos el caso de la extensi on m as simple, a~nadiendo un escalar singlete extra. Analizamos la nueva fenomenolog a debido a este escalar, especialmente efectos de coaniquilaci on. Adem as, imponemos todos los l mites experimentales en este modelo extendido para ver como queda el nuevo espacio de par ametros. Finalmente, testamos c omo de bien es capaz de explicar el exceso del centro gal actico.

    Por otro lado, estudiamos otro tipo de portal de materia oscura, el llamado portal Z0. Este escenario implica la existencia de una simetr a U(1) extra en el grupo gauge.

    En este tipo de situaciones los l mites mas fuertes vienen de las b usquedas de di-leptones y de experimentos de detecci on directa. Una manera f acil de relajar estas restricciones es eligiendo un mediador leptof obico, es decir, sin acoplamientos directos con los leptones, y que interact ue axialmente con la materia oscura, de manera que el acoplamiento entre la materia oscura y los quarks sea dependiente del spin. Teniendo estas consideraciones en mente, buscamos el modelo m as simple que cumpla estos requisitos y que cancele las anomal as del nuevo grupo de simetr as gauge, y estudiamos la fenomenolog a de un modelo representativo de este tipo.

  • English

    Dark matter constitutes the 27% of the energy content of the universe. However, the nature of dark matter is still a mystery. The Standard Model does not have any reasonable explanation to solve this problem, so the need for a theory beyond Standard Model is evident.

    In this context, simpli ed dark matter models are a good rst attempt to solve this problem.

    But simpli ed models are limited by their simplicity and in many cases experimental searches put several bounds on them, constraining severely the parameter space. For these reasons, a step forward is needed. One way to do that is to enlarge the particle content of this kind of models, looking for more realistic con gurations.

    In this thesis we adopt this idea of going next to simpli ed models and study two relevant models in the context of dark matter portals. In the rst one we re-visit the well known singlet-scalar Higgs portal, one of the simplest dark matter models, consisting of a singlet-scalar coupled to the Higgs boson. This model is of great interest since, with just an extra particle, it can reproduce the dark matter density and has a rich phenomenology.

    However, since its postulation, experimental searches have tested the model putting severe bounds on its parameter space and nowadays is close to be excluded. A simple way to relax these constraints is to extend the dark sector. In this thesis we study the case of the simplest extension, adding an extra singlet-scalar. We analyze the new phenomenology due to this new scalar, specially coannihilation e ects. Also, we impose the experimental constraints in the extended model to see how the new parameter space is restricted. Finally, we test how well this model can explain the galactic center excess.

    On the other hand, we study another kind of dark matter portal, called Z0 portal.

    This scenario implies the existence of an extra U(1) symmetry in the gauge group. In this kind of framework the strongest constraints come from di-lepton searches at colliders and bounds from direct detection experiments. A simple way to relax these constraints is to choose a leptophobic mediator, i.e. with no direct couplings to leptons, and interacting axially to the dark matter particle, so that the coupling between the dark matter and quarks is spin-dependent. Taking this considerations into account, we look for the simplest possible con guration that ful ll these requirements and cancels the anomalies of the new gauge group, and we study the phenomenology of a representative model of this kind.