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Strongly interacting dark matter candidates and the search for dark radiation from dark matter decays
Marco Nikolic
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Josef Pradler
DOI
10.25365/thesis.75247
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-28306.05618.381792-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In dieser Doktorarbeit untersuchen wir: 1) die Theorie über stark wechselwirkende massive Teilchen (SIMPs), einschließlich gebundener Zustände aus SIMPs, und 2) „dunkle Strahlung“, die von instabiler dunkler Materie stammt, in Direktdetektionsexperimenten und in PTOLEMY. Wir betrachten stark wechselwirkende massive Teilchen (SIMPs), die aus der chiralen Symmetriebrechung in dunklen Sp(4)c-Eichtheorien hervorgehen, ähnlich wie Pionen in der Quantenchromodynamik (QCD). Diese Teilchen werden massiv, wenn die Flavoursymmetrie explizit gebrochen wird, zum Beispiel in Gegenwart eines Massenterms im UV-Lagrangian. Um die Teilchenstruktur und die Symmetriebrechung der Sp(4)c-Theorien zu verstehen, liefern wir eine effektive Beschreibung der Sp(4)c-Theorien, das Massenspektrum der erzeugten Teilchen, ihre Flavourmultiplettstruktur und Streuung für Nf = 2 fundamentale dunkle Fermionen in Anwesenheit kleiner Massendifferenzen und einer U(1)'-Eichkopplung. In unserer Theorie finden wir 5 SIMPs, 10 Vektor-Mesonen, 5 Axialvektor-Mesonen und ein Iso-Singlet. Darüber hinaus untersuchen wir die mögliche Bildung von gebundenen Zuständen, die aus zwei SIMPs bestehen, und deren Auswirkungen auf den Verlauf des freeze-out im früheren Universum. In der ersten Analyse zeigen wir, dass die Reaktion 3π → πX den freeze-out freier SIMPs π in Anwesenheit von gebundenen Zuständen X reguliert. Messungen der dunklen Strahlung, die ein Zerfallsprodukt der dunklen Materie ist, bieten eine neue Möglichkeit, die Teilchennatur der dunklen Materie zu erforschen. Zu diesem Zweck betrachten wir dunkle Strahlung in Form von Neutrinos aus dem Standardmodell und Neutrinos, die an die Baryonenzahl koppeln. Diese Neutrinos können in Zweikörperzerfällen der dunklen Materie entstehen. Wir analysieren die Sensitivität - Ausschlussgrenzen und Entdeckungsbereiche - in Xenon-basierten Dunkle-Materie-Direktdetektionsexperimenten und im Neutrino-Experiment PTOLEMY. Aus einer Likelihood-Analyse ergibt sich, dass Experimente zum direkten Nachweis von dunkler Materie mit einer Exposition von weniger als 1 ton yr nicht in der Lage sind, dunkle Strahlung in Form von Standardmodell-Neutrinos aus dunkler Materie mit einer MeV-Masse nachzuweisen. Jedoch bieten Experimente mit einer futuristischen Exposition von 100 ton yr, wie DARWIN, eine Möglichkeit zur Entdeckung. Baryonische Neutrinos sind prinzipiell in aktuellen Experimenten nachweisbar. Andererseits wird PTOLEMY mit einer Exposition von 100 g yr in der Lage sein, dunkle Strahlung aus Zerfällen von dunkler Materie mit einer Masse von sub-eV in einem Massenbereich von (1, 1000) meV und einer Lebensdauer der dunklen Materie, die größer als das Alter des Universums ist, nachzuweisen.
Abstract
(Englisch)
In this PhD thesis, we study: 1) the viability of strongly interacting massive particles (SIMPs), including SIMP bound states and, 2) “dark radiation” originating from unstable dark matter in direct detection experiments and in PTOLEMY. We consider SIMPs emerging from chiral symmetry breaking in dark Sp(4)c gauge theories, similar to pions in QCD. These particles become massive when the flavour symmetry is explicitly broken, e.g. in the presence of a mass term in the UV-complete Lagrangian. In order to understand the particle structure and breaking patterns of Sp(4)c theories, we provide an effective description of Sp(4)c theories, the mass spectrum of generated particles, their flavour multiplet structure and scattering channels for Nf = 2 fundamental dark fermions in presence of small mass splittings and a U(1)' gauge coupling. We find 5 SIMPs, 10 vector mesons, 5 axial-vector mesons, and one iso-singlet in our theory. In addition, we study the potential formation of bound states comprised of two SIMPs and its effect on the freeze-out history in the early universe. In the first analysis, we show that the strength of the reaction 3π → πX regulates the freeze out of free SIMPs π in the presence of bound states X. Measurements of dark radiation being a decay product of dark matter, offer a new possibility to shed light on the particle nature of dark matter. For this purpose, we consider dark radiation in the form of Standard Model neutrinos and neutrinos that couple to baryon number, produced in two-body decays of a dark matter progenitor. We analyze the sensitivity - exclusion limits and discovery reach - in xenon-based dark matter direct detection experiments and in the proposed neutrino experiment PTOLEMY. From a Likelihood-analysis we find that direct detection experiments with an exposure less than 1 ton yr are not able to detect dark radiation in the form of Standard Model neutrinos from MeV-mass dark matter. However, experiments with futuristic exposure of 100 ton yr, like DARWIN, offer a possibility of detection. Baryonic neutrinos are in principle detectable in current generation experiments. On the other hand, PTOLEMY will be able to measure dark radiation originating from sub-eV dark matter decays with an exposure of 100 g yr in a mass range (1, 1000) meV and a progenitor lifetime greater than the age of the universe.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
dunkle Materie dunkle Strahlung stark wechselwirkende massive Teilchen SIMP SIMP Bindungszustände PTOLEMY Direktdetektionsexperimente
Schlagwörter
(Englisch)
dark matter dark radiation strongly interacting massive particles SIMP SIMP bound states PTOLEMY direct detection experiments
Autor*innen
Marco Nikolic
Haupttitel (Englisch)
Strongly interacting dark matter candidates and the search for dark radiation from dark matter decays
Paralleltitel (Deutsch)
Stark wechselwirkende dunkle Materie Kandidaten und die Suche nach dunkler Strahlung von dunkle Materie Zerfällen
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
12, ii, 201 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Torsten Bringmann ,
Yonit Hochberg
AC Nummer
AC17081732
Utheses ID
68862
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |