A complementary approach for the identification of dark matterr
- Autores: Miguel Peiró García
- Directores de la Tesis: David G. Cerdeño (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2014
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Carlos Muñoz López (presid.), Alberto Casas González (secret.), Anne J. Green (voc.), Geneviève Jeanne Marie Bélanger (voc.), Klaus Eitel (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
En esta tesis se aborda el problema de la materia oscura (MO) en el Universo desde el punto de vista de la física de partículas elementales.
Diferentes observaciones han mostrado que el 85 % del contenido total de materia del Universo se corresponde con un nuevo tipo de materia, que no emite ni absorbe luz, y que por lo tanto se conoce como MO. La detección e identificación de este nuevo componente exótico, constituye una de las cuestiones a resolver más importantes de la física moderna.
Actualmente existen numerosos experimentos que tratan de detectar estas elusivas partículas. Por un lado, se cree que la MO puede ser cazada usando grandes detectores situados bajo tierra con los cuales la MO chocaría y tras esto, depositaría una cierta cantidad de energía en el detector en cuestión. Este tipo de búsquedas se conoce como detección directa. También se espera que la MO pueda detectarse indirectamente, es decir, tratando de detectar partículas, como por ejemplo fotones, neutrinos y antimateria, que podrían crearse cuando dos partículas de MO se encuentran y chocan en algún punto de nuestra galaxia. Finalmente, los grandes aceleradores de partículas, como el LHC, también podrían detectar MO que se habría creado en los choques de partículas que allí tienen lugar.
Esta situación experimental actual es tremendamente excitante. Algunos de estos experimentos han observado posibles indicios que podrían atribuirse a MO ligeras (más concretamente a partículas con masas alrededor de 10 GeV). Además, los experimentos están aumentando su sensibilidad y pronto serán capaces de cubrir amplias regiones del espacio de parámetros de modelos de MO. Por lo tanto, parece plausible que la MO se pueda detectar en un futuro próximo . La pregunta es entonces, tras una hipotética detección en el futuro, cómo de bien podemos determinar los parámetros que definen la naturaleza de estas partículas de MO. La información de las tres fuentes de detección mencionadas es crucial para identificar esta componente exótica del Universo.
En esta tesis se hace un análisis exhaustivo del problema de la MO desde un punto de vista teórico. En el capítulo 1, se hace una introducción de las observaciones más relevantes que demuestran la existencia de la MO en el Universo, y que nos han permitido conocer cuáles son las propiedades genéricas de este nuevo tipo de materia. También, se describe con detalle cuál es la situación experimental actual, tanto en búsquedas directas como indirectas que podrían estar apuntando a la existencia de MO ligera.
Además se hace una breve descripción de cómo el descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC nos brinda nueva información acerca de las propiedades de estas partículas. En el capítulo 2, se analizan tres modelos supersimétricos, estudiando bajo qué condiciones la MO ligera es viable.
Como candidatos a MO en estos modelos se tiene al neutralino (uno de los más estudiados en la literatura) y al sneutrino. Para determinar la viabilidad de estos candidatos se han usado los últimos datos experimentales del LHC (así como de los anteriores LEP y Tevatron), y de observables de baja energía. En el caso del sneutrino, siendo un candidato mucho menos estudiado en la literatura, se ha mostrado su flexibilidad para ser MO ligera y además se ha estudiado su relación con los bosones de Higgs del modelo. Finalmente, en este capítulo, se han mostrado cuáles son las predicciones de cada uno de los candidatos en experimentos de detección directa e indirecta, comparando con las búsquedas actuales y comentando la situación futura en cuanto al descubrimiento de éstos. Esta parte de la tesis ha sido publicada en las referencias [1¿3].
En el capítulo 3, se hace un estudio teórico en profundidad de la detección directa de MO ligera. Tras una introducción al formalismo, se muestra la relación de este tipo de búsquedas con la física de partículas, la astrofísica y la física nuclear. En la primera mitad del capítulo, se muestra como el conocimiento de estas áreas es fundamental cuando se trata de entender una posible señal de MO en un detector (lo que denominamos reconstrucción de la señal). Una de las partes más importantes de este capítulo se basa en entender como la física nuclear puede afectar a las reconstrucciones (a través de las funciones de estructura de los diferentes núcleos usados en los detectores). Un resultado muy importante de este estudio concluye que estos efectos pueden ser tan importantes como los astrofísicos (muy usados y conocidos en anteriores estudios). Con este propósito se utilizan técnicas de estadística Bayesiana. Además se propone un método consistente y robusto para incluir estos efectos en las reconstrucciones. En la segunda mitad del capítulo 3, se analiza cómo maximizar las posibilidades de conocer la naturaleza de la MO si ésta es detectada en este tipo de experimentos. Aquí se demuestra que es crucial usar más de un tipo de material en el detector, ya que el uso de solo germanio y xenón (los más comunes actualmente) no permite hacer una buena reconstrucción de la señal. Para ello se propone el uso de materiales basados en flúor, aluminio y tungsteno, que son capaces de aportar información complementaria a aquella dada por germanio y xenon, y que por tanto permiten en muchos casos determinar unívocamente la naturaleza de la MO a partir de su detección. Los resultados que se presentan en esta parte se encuentran publicados en las referencias [4¿6].
El capítulo 4 esta dedicado a las búsquedas indirectas de MO en el centro de la Vía Láctea usando rayos gamma. Esperamos que en el centro de nuestra Galaxia haya grandes acumulaciones de MO, especialmente si en esa región tiene lugar un proceso conocido como contracción adiabática.
Esto hace que aumente allí la probabilidad de que dos partículas de MO se aniquilen dando lugar a fotones. Usando los últimos datos del satélite Fermi-LAT (el instrumento actual más sensible en este tipo de búsquedas) ex- traemos restricciones sobre la sección eficaz de aniquilación de la MO y comparamos con las restricciones extraídas usando datos de por ejemplo las galaxias enanas esferoidales (compuestas principalmente de MO). Esto requiere cálculos precisos y detallados de todos los procesos físicos en los que la MO participa, como el Inverse Compton Scattering, y que dan lugar a fotones provenientes desde el centro de nuestra galaxia. Finalmente, se comparan estos límites con las predicciones de los candidatos analizados en el capítulo 2. Además, se muestra que el sneutrino ligero podría explicar una señal en fotones que viene del centro galáctico y que ha sido observada por el satélite Fermi-LAT. Los resultados que aquí se presentan han sido publicados en las referencias [2,7].
Por último, hemos dejado para el capítulo 5 las conclusiones generales extraídas en cada uno de los capítulos, haciendo especial énfasis en la importancia del trabajo realizado en esta tesis.
