Phenomenological analysis of particle dark matter models

Abstract

In this thesis, we present three models predicting a dark matter particle. In each model, focusing on the most natural cases, we study the phenomenological implications of the DM particle. The first model we study is an extension of the SM that consists of a fermionic dark sector. his dark sector is composed of two Weyl iso-doublets with opposite hypercharge and a Majorana iso-triplet. Under the assumption of a Z_2 symmetry, these particles always interact in pairs, therefore the lightest neutral particle is a DM candidate. We show that the Yukawa terms of this dark sector are symmetric under a custodial symmetry, which is responsible for the suppression of the DM-nucleon cross section, since the tree-level interactions between the DM particle and the Higgs as well as the Z-boson vanish. Focusing on this symmetric limit, the lightest neutral fermion of this dark sector can naturally explain the observed DM density, with a mass at the electroweak scale. Furthermore, we show that the new charged fermions are responsible for a suppression of the branching ratio of the Higgs boson to two photons. Finally, we show that the DM particle of this model can be produced and detected at the LHC in the near future.In the second model we consider a dark sector consisting on a pair of Weyl SU(2)_L-doublets with opposite hypercharges. Treating this dark sector as a low-energy limit of a UV-complete model with a cutoff energy at the TeV scale, we perform a detail phenomenological analysis, including both renormalizable and non-renormalizable d=5 interactions between the dark sector particles and the SM. We find that the DM particle can have a mass near the electroweak scale, while evading all experimental constraints, provided that sizeable dipole interactions between the dark sector particles and the gauge bosons are present. We, then, discuss potential detection of the DM particle at missing energy searches at the LHC. We show that the cross sections for the current mono-X searches are suppressed, with the mono-jet channel being the most promising probe for future detection.Finally, introduce a minimal model that predicts a DM particle with a naturally obtained sub-GeV mass. This model is a Peccei-Quinn-symmetric two-Higgs doublet model, which consists of two Weyl fermionic SU(2)_L-doublets and a majorana gauge singlet. The doublets are neutral under the PQ and assumed to be decoupled from the plasma. The DM particle is the gauge singlet, which is charged under the PQ-symmetry, and therefore massless at tree level. The mass of the DM particle is generated predominantly at one-loop level. We show that the mass generation is compatible with DM production via the freeze-in mechanism at the early Universe, without relying on parameter fine tuning.

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.