On the nature of dark matter: phenomenological and cosmological probes
- Autores: Miguel Escudero Abenza
- Directores de la Tesis: Nuria Rius Dionis (dir. tes.), Olga Mena Requejo (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alejandro Ibarra Sixto (presid.), Sergio Palomares Ruiz (secret.), Laura Covinich (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universitat de València (Estudi General)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
La evidencia gravitatoria de la materia oscura es incuestionable. Sin embargo, la naturaleza de la materia oscura representa uno de los mayores enigmas de la Física moderna. Gracias a las precisas observaciones del fondo cósmico de microondas realizadas por los satélites WMAP y Planck sabemos que un ~26% del contenido energético del universo y que un ~84% de toda la materia corresponde a un tipo de materia que solo interactúa gravitatoriamente. Además, multitud de estudios demuestran que las galaxias, cúmulos de galaxias, así como de la mayoría de objetos virializados en el universo están dominados por una materia que no emite luz, la materia oscura. La indiscutible evidencia gravitatoria de la materia oscura, sin embargo, contrasta con la falta de señales en la multitud de experimentos diseñados para estudiar sus propiedades no gravitatorias.
En esta tesis, desde una perspectiva fenomenológica, se han investigado las implicaciones cosmológicas, en experimentos terrestres y en satélites espaciales de la materia oscura. Haciendo uso de una combinación de observaciones cosmológicas, tales como las anisotropías angulares del fondo cósmico de microondas, la distribución de las galaxias en las grandes estructuras del universo, así como del número de galaxias satélite de la Vía Láctea hemos acotado diversas propiedades de la materia oscura. En concreto, hemos contrastado la posibilidad de que la materia oscura interactúe con los neutrinos y la posibilidad de que la materia oscura está formada por partículas frías y calientes con los datos cosmológicos más recientes, obteniendo así cotas a la interacción de la materia oscura con los neutrinos y a la fracción de la materia oscura que puede ser caliente en función de la masa de esta respectivamente. Desde la perspectiva fenomenológica, nos hemos centrado en la posible relación de la materia oscura con los neutrinos estériles y en modelos tipo WIMP (partícula masiva débilmente interactiva) genéricos. Respecto a la posible conexión con los neutrinos estériles y la materia oscura hemos construido y explorado en detalle un modelo, dentro del marco de la ruptura espontánea de una simetría U(1) B-L global, en el que la materia oscura es un neutrino pesado estable. Además, hemos considerado las consecuencias de que los neutrinos estériles, como singletes del Modelo Estándar, representen la conexión entre el modelo estándar y un posible sector oscuro. Respecto a los estudios de modelos WIMP, hemos precisado hasta qué punto los experimentos de detección directa y de aceleradores de partículas actuales acotan los modelos en los que la materia oscura se aniquila en el universo primitivo a través de sus interacciones con los bosones del Modelo Estándar Higgs y Z. Por último, en esta tesis hemos acotado la interpretación de que el exceso de rayos gamma provenientes del centro de la galaxia sea resultado de la aniquilación de partículas de materia oscura. Para ello, hemos contrastado modelos simplificados en los que la materia oscura se aniquila de forma directa a partículas del modelo estándar con la intensas búsquedas de materia oscura en aceleradores de partículas y en experimentos de detección directa, así como considerado modelos en los que la materia oscura se aniquila a partículas de un sector oscuro.
La tesis está estructurada en tres partes, las dos primeras en inglés. La Parte I consiste en un resumen del estado del campo que contextualiza la investigación llevada a cabo. El Capítulo 1 contiene una síntesis de la evidencia atrofísica y cosmológica de la materia oscura en la que se recalca el papel principal que la materia oscura juega en nuestro entendimiento teórico y observacional del universo. En este capítulo se introduce el modelo estándar cosmológico LambdaCDM, con materia oscura fría y una constante cosmológica. En el Capítulo 2 se describe brevemente el Modelo Estándar de partículas así como el mecanismo teórico más popular para dotar de masa a los neutrinos. En el Capítulo 3 se discuten los conceptos, hipótesis y ecuaciones que permiten entender la evolución del universo primitivo. En concreto, se presenta la ecuación de Boltzmann que controla los procesos termodinámicos que ocurren fuera del equilibrio en el universo en expansión. El Capítulo 4 detalla las tres búsquedas desarrolladas por la comunidad para encontrar partículas de materia oscura tipo WIMP. Los principios físicos y la situación experimental de la detección directa, indirecta y en aceleradores de partículas de materia oscura tipo WIMP se presentan en detalle. El Capítulo 5 contiene los principales resultados y conclusiones de los distintos estudios realizados para esta tesis. La Parte II contiene los siete artículos originales publicados en las distintas revistas internacionales en los que esta tesis se basa. Por último, la Parte III consiste en un resumen detallado en español de la motivación, objetivos, metodología, resultados y conclusiones de esta tesis.
