Phenomenological analysis of particle dark matter models
Authors: Καραμήτρος Δημήτριος 
Published: September 2021

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζουμε τρία μοντέλα που προβλέπουν ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης. Σε κάθε μοντέλο, μελετάμε τις φαινομενολογικές επιπτώσεις του σωματιδίου σκοτεινής ύλης.Το πρώτο μοντέλο που μελετάμε είναι επέκταση του Καθιερωμένου Προτύπου που αποτελείται από έναν φερμιονικό σκοτεινό τομέα, ο οποίος αποτελείται από δυο Weyl doublets με αντίθετο υπερφορτίο και ένα Majorana triplet. Υπό την υπόθεση μιας συμμετρίας Z_2, αυτά τα σωματίδια αλληλεπιδρούν πάντα ανά ζεύγη, επομένως το ελαφρύτερο ουδέτερο σωματίδιο είναι υποψήφιο σωματίδιο σκοτεινής ύλης. Δείχνουμε ότι οι όροι Yukawa αυτού του σκοτεινού τομέα είναι συμμετρικοί κάτω από μία συμμετρία που είναι υπεύθυνη για την καταστολή της αλληλεπίδρασης νουκλεονίων-σκοτεινής ύλης, δεδομένου ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ του σωματιδίου σκοτεινής ύλης και του Higgs καθώς και του Z δεν υπάρχουν σε πρώτη προσέγγιση. Εστιάζοντας σε αυτό το συμμετρικό όριο, το ελαφρύτερο ουδέτερο φερμιόνιο αυτού του σκοτεινού τομέα μπορεί να εξηγήσει φυσικά την παρατηρούμενη πυκνότητα σκοτεινής ύλης, με μάζα στην κλίμακα των ασθενών φορέων. Επιπλέον, δείχνουμε ότι τα νέα φορτισμένα φερμιόνια είναι υπεύθυνα για την καταστολή του πλάτους διάσπασης του μποζονίου Higgs σε δύο φωτόνια. Τέλος, δείχνουμε ότι το σωματίδιο σκοτεινής ύλης αυτού του μοντέλου μπορεί να παραχθεί και να ανιχνευθεί στο LHC στο εγγύς μέλλον.Στο δεύτερο μοντέλο, θεωρούμε έναν σκοτεινό τομέα που αποτελείται από ένα ζεύγος Weyl SU (2)_L-doublets με αντίθετα υπερφορτία. Αντιμετωπίζοντας αυτόν τον σκοτεινό τομέα ως όριο χαμηλής ενέργειας ενός ολοκληρωμένου μοντέλου με μια ενέργεια αποκοπής στην κλίμακα TeV, εκτελούμε μια λεπτομερή φαινομενολογική ανάλυση, συμπεριλαμβανομένων όλων των επανακανονικοποιήσιμων και μη-επανακανονικοποιήσιμων τελεστών d=5 μεταξύ των σωματιδίων του σκοτεινού τομέα και του Καθιερωμένου Προτύπου. Διαπιστώνουμε ότι το σωματίδιο σκοτεινής ύλης μπορεί να έχει μια μάζα κοντά στην ηλεκτρασθενή κλίμακα, υπακούοντας σε όλους τους πειραματικούς περιορισμούς, υπό την προϋπόθεση ότι υπάρχουν σημαντικές διπολικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων του σκοτεινού τομέα και των μποζονίων βαθμίδας. Τέλος, συζητούμε πιθανή ανίχνευση του σωματιδίου σκοτεινής ύλης στις έρευνες ``χαμένης" ενέργειας του LHC. Δείχνουμε ότι οι ενεργές διατομές για τις τρέχουσες αναζητήσεις mono-X είναι αρκετά μικρές, με το κανάλι mono-jet να είναι το πιο πιθανό για μελλοντική ανίχνευση.Στη συνέχεια, εισάγουμε ένα ελάχιστο μοντέλο που προβλέπει ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης που αποκτά με φυσικό τρόπο μάζα κάτω απο τη GeV κλίμακα. Το μοντέλο αυτό είναι ένα two Higgs doublet model συμμετρικό κάτω από μια συμμετρία Peccei-Quinn, το οποίο αποτελείται από δύο Weyl φερμιόνια SU (2)_L-doublets και ένα singlet. Οι doublets είναι ουδέτερες κάτω από την συμμετρία PQ και αποσυνδεδεμένες απο το πλάσμα. Το σωματίδιο σκοτεινής ύλης είναι το singlet, το οποίο είναι φορτισμένο κάτω από την PQ, και επομένως άμαζο. Η μάζα του σωματιδίου αυτού δημιουργείται μέσω κβαντικών διορθώσεων. Δείχνουμε ότι η παραγωγή μάζας είναι συμβατή με την παραγωγή σκοτεινής ύλης, χωρίς να βασίζεται στην λεπτομερή ρύθμιση των παραμέτρων.