A dark matter candidate in the context of physics beyond the standard model

Abstract

Motivación para extender el modelo estándar de física de partículas proviene de muchas fuentes. Las masas de neutrinos y la naturaleza de la materia oscura se encuentran entre estas fuentes y son posiblemente los ingredientes desconocidos más importantes del universo que requieren una explicación. En este trabajo hemos estudiado cómo los límites publicados sobre el ángulo de mezcla entre los leptones neutros pesados y los neutrinos activos pueden cambiar cuando los primeros se acoplan a un singleto escalar ligero. El método presentado aquí podría usarse para reformular límites de otros experimentos (más antiguos) sin recurrir a simulaciones de Monte Carlo computacionalmente costosas. También hemos propuesto un nuevo mecanismo para resolver el problema núcleo-cúspide a través de la reactivación tardía de las aniquilaciones de materia oscura. Esto se ha hecho en el contexto de materia oscura asimétrica. Finalmente, estudiamos materia oscura multicomponente en un modelo B-L calibrado. Mostramos que incluso si la densidad relativa actual del componente inestable es insignificante, el efecto de la radiación oscura producida por sus desintegraciones puede limitar severamente el espacio de parámetros de los VEV del modelo, lo que está en conflicto con trabajos anteriores en la literatura.

Motivation for extending the standard model of particle physics comes from many sources. Neutrino masses and the nature of the dark matter are among these sources and they are arguably the most important unknown ingredients of the universe which call for explanation. In this work, we have studied how the published limits on the mixing angle between heavy neutral leptons and active neutrinos can change when the former couples to a light scalar singlet. The method presented here could be used to recast constraints from other (older) experiments without resorting to computationally expensive Monte Carlo simulations. We have also proposed a new mechanism to solve the core-cusp problem through the late-time reactivation of dark matter annihilations. This has been done in the context of asymmetric dark matter. Finally, we study multi-component DM in a gauged 𝐵 − 𝐿 model. We show that even if the present-day relative density of the unstable component is negligible, the effect of the dark radiation produced by its decays can severely constrain the parameter space of the VEVs of the model, which is in conflict with previous benchmarks in the literature.

A motivação para estender o modelo padrão da física de partículas vem de muitas fontes. As massas dos neutrinos e a natureza da matéria escura estão entre essas fontes e são indiscutivelmente os ingredientes desconhecidos mais importantes do universo que exigem explicação. Neste trabalho, estudamos como os limites publicados para o ângulo de mistura entre léptons neutros pesados ​​e neutrinos ativos podem mudar quando o primeiro se acopla a um singleto escalar leve. O método apresentado aqui pode ser usado para reformular restrições de outros experimentos (mais antigos) sem recorrer a simulações de Monte Carlo computacionalmente caras. Também propusemos um novo mecanismo para resolver o problema do núcleo-cúspide por meio da reativação tardia de aniquilações de matéria escura. Isso foi feito no contexto da matéria escura assimétrica. Finalmente, estudamos DM multicomponente em um 𝐵 − 𝐿 medido modelo. Mostramos que mesmo que a densidade relativa atual do componente instável seja desprezível, o efeito da radiação escura produzida por seus decaimentos pode restringir severamente o espaço de parâmetros dos VEVs do modelo, que está em conflito com os benchmarks anteriores na literatura.