Doors to darkness: Phenomenology of dark matter portal interactions

Heeba, Saniya; Kahlhöfer, Felix Karl David; Krämer, Michael

doi:40687

Doors to darkness: Phenomenology of dark matter portal interactions

Heeba, Saniya^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Saniya Heeba, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kahlhöfer, Felix Karl David (Thesis advisor)^RWTH* ; Krämer, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-09-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-08734
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/826075/files/826075.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
dark matter (frei) ; dark photons (frei) ; freeze-in (frei) ; portal interactions (frei) ; self-interactions (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Thematik um die dunkle Materie (DM) steht im Mittelpunkt der modernen Teilchenphysik und Kosmologie, wobei sich uns bislang die mikrophysikalische Natur der DM hartnäckig entzieht. In dieser Dissertation werden unterschiedliche Modelle von DM-Teilchen und ihren Wechselwirkungen mit dem Standardmodell (SM) eingehend untersucht. Der Fokus liegt hierbei einerseits darauf, korrekte Abschätzungen der Reliktdichte zu bestimmen, wofür die Berücksichtigung von temperaturabhängigen Korrekturen sowie weiteren In-Medium-Effekten notwendig ist. Andererseits wird die Überprüfbarkeit dieser Modelle durch Beschleuniger und direkte Detektionsexperimente detailliert diskutiert. Konkret werden sogenannte Portalmodelle diskutiert, in denen eine einzige Art von Wechselwirkung das DM-Teilchen an das SM koppelt. Dabei werden zwei Fälle betrachtet: eine Wechselwirkung über ein skalares Austauschteilchen (das $\textit{Higgs-Portal}$) und über ein Vektorteilchen (das $\textit{Vektorportal}$). Für den Fall des Higgs-Portals wird ein skalares Singlet-DM-Modell betrachtet. Die Reliktdichte wird hierbei durch das Austreten von Energie aus dem SM-Wärmebad generiert (der sogenannte $\textit{Freeze-In-Mechanismus}$), wobei Zerfälle des Higgs-Bosons nicht den dominanten Beitrag ausmachen. Letzteres kann entweder dadurch realisiert werden, dass der Zerfall kinematisch nicht erlaubt ist oder dass die Temperatur beim Wiederaufheizen des Universums kleiner ist als die Masse des Higgs-Bosons. Für den Fall eines Vektorportals werden zwei konkrete Dunkle-Photon-Modelle betrachtet. Im ersten Szenario wird ein dunkles Photon im Kontext kinetischer Mischung diskutiert, wobei die Reliktdichte über resonant verstärkte Annihilationen während oder nach dem Freeze-out, d.h. dem Entkoppeln von DM aus dem Wärmebad, erzeugt wird. In dem zweiten Modell sind hingegen sowohl das SM als auch die DM unter einer zusätzlichen $U(1)^\prime$-Symmetrie geladen und die Reliktdichte wird über Freeze-in erzeugt. Des Weiteren können Austauschteilchen in Skalar- und Vektorportal-Modellen zu langreichweitigen DM-DM-Wechselwirkungen führen. Dies ermöglicht es insbesondere viele der Diskrepanzen zwischen astrophysikalischen Observationen und Vorhersagen für kalte DM zu mildern. Um diese Effekte zu diskutieren, wird für den Fall einer Wechselwirkung über ein Yukawa-Potential ein neuer quantenmechanischer Ansatz für solche Selbstwechselwirkungen vorgestellt sowie analytische Ergebnisse für den Impulsübertrags- und Viskositätswirkungsquerschnitt hergeleitet. Mit Hilfe dieser repräsentativen Modelle können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: i) Temperaturabhängige Korrekturen, In-Medium-Effekte und eine richtige Behandlung des elektroschwachen und QCD-Phasenübergangs sind hochrelevant für die Berechnungen der Reliktdichte, insbesondere für Freeze-In-Szenarien. ii) Einige der einfachsten Modelle mit leichter und/oder gänzlich schwach wechselwirkender DM können auf eine komplementäre Weise mit aktuellen sowie zukünftigen Experimenten an Beschleunigern und mit solchen zum direkten Nachweis von DM getestet werden, sodass der DM-Forschung eine aufregende Zukunft bevorsteht.

The Dark Matter (DM) question has taken centre-stage in modern-day particle physics and cosmology, with the microphysical nature of DM remaining stubbornly elusive. In this thesis, we explore different classes of particle DM models based on the interactions of DM with the Standard Model (SM). Our interests lie in obtaining accurate relic density estimates with the inclusion of finite temperature corrections and other in-medium effects, as well as in detailing the detection prospects of these models using direct detection experiments and accelerator searches. We will focus on the so-called portal models, in which a single type of interaction connects the DM particle to the SM. We will distinguish between the case where this portal interaction arises from the exchange of a scalar, $\textit{the Higgs Portal}$, and from a vector particle, $\textit{the vector portal}$. For the Higgs portal, we consider a scalar singlet DM model where the relic abundance is set by the leakage of energy from the SM thermal bath (the so-called $\textit{freeze-in mechanism}$), and where the dominant contribution does not arise from Higgs boson decays. The latter can be achieved if such decays are kinematically forbidden or if the reheating temperature is much smaller than the Higgs boson mass. For the vector portal, we consider two dark photon models. One, with a kinetically mixed dark photon where the relic abundance is set by resonantly enhanced annihilations during or after $\textit{freeze-out}$, i.e., when DM decouples from the thermal bath. And the second, where both the SM and DM are gauged under an additional $U(1)^\prime$, and the relic abundance is set by freeze-in. Further, mediators in both scalar and vector portal models may also give rise to long-range DM-DM interactions, potentially alleviating the tensions between astrophysical observations and predictions from collisionless cold DM. To discuss these effects, we provide a new quantum-mechanical treatment of such self-interactions and derive analytic results for the momentum transfer and viscosity cross-section for the case of interactions arising from a Yukawa potential. Through these representative models, we make the following observations: i) Thermal corrections, in-medium effects and a proper treatment of the electroweak and QCD phase transition are highly relevant for relic density calculations especially for the case of freeze-in, and ii) some of the simplest models with light and/or feebly coupled DM can be probed in a complementary fashion at ongoing and upcoming direct detection and accelerator experiments, spelling exciting times for the future of DM research.

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