On the Nature of Dark Matter: Phenomenological and Cosmological Probes

La evidencia gravitatoria de la materia oscura es incuestionable. Sin embargo, la naturaleza de la materia oscura representa uno de los mayores enigmas de la Física moderna. Gracias a las precisas observaciones del fondo cósmico de microondas realizadas por los satélites WMAP y Planck sabemos que un ~26% del contenido energético del universo y que un ~84% de toda la materia corresponde a un tipo de materia que solo interactúa gravitatoriamente. Además, multitud de estudios demuestran que las galaxias, cúmulos de galaxias, así como de la mayoría de objetos virializados en el universo están dominados por una materia que no emite luz, la materia oscura. La indiscutible evidencia gravitatoria de la materia oscura, sin embargo, contrasta con la falta de señales en la multitud de experimentos diseñados para estudiar sus propiedades no gravitatorias. En esta tesis, desde una perspectiva fenomenológica, se han investigado las implicaciones cosmológicas, en experimentos terrestres y en satélites espaciales de la materia oscura. Haciendo uso de una combinación de observaciones cosmológicas, tales como las anisotropías angulares del fondo cósmico de microondas, la distribución de las galaxias en las grandes estructuras del universo, así como del número de galaxias satélite de la Vía Láctea hemos acotado diversas propiedades de la materia oscura. En concreto, hemos contrastado la posibilidad de que la materia oscura interactúe con los neutrinos y la posibilidad de que la materia oscura esté formada por partículas frías y calientes con los datos cosmológicos más recientes, obteniendo así cotas a la interacción de la materia oscura con los neutrinos y a la fracción de la materia oscura que puede ser caliente en función de la masa de esta respectivamente. Desde la perspectiva fenomenológica, nos hemos centrado en la posible relación de la materia oscura con los neutrinos estériles y en modelos tipo WIMP (partícula masiva débilmente interactiva) genéricos. Respecto a la posible conexión con los neutrinos estériles y la materia oscura hemos construido y explorado en detalle un modelo, dentro del marco de la ruptura espontánea de una simetría U(1) B-L global, en el que la materia oscura es un neutrino pesado estable. Además, hemos considerado las consecuencias de que los neutrinos estériles, como singletes del Modelo Estándar, representen la conexión entre el modelo estándar y un posible sector oscuro. Respecto a los estudios de modelos WIMP, hemos precisado hasta qué punto los experimentos de detección directa y de aceleradores de partículas actuales acotan los modelos en los que la materia oscura se aniquila en el universo primitivo a través de sus interacciones con los bosones del Modelo Estándar Higgs y Z. Por último, en esta tesis hemos acotado la interpretación de que el exceso de rayos gamma provenientes del centro de la galaxia sea resultado de la aniquilación de partículas de materia oscura. Para ello, hemos contrastado modelos simplificados en los que la materia oscura se aniquila de forma directa a partículas del modelo estándar con las intensas búsquedas de materia oscura en aceleradores de partículas y en experimentos de detección directa, así como considerado modelos en los que la materia oscura se aniquila a partículas de un sector oscuro. La tesis está estructurada en tres partes, las dos primeras en inglés. La Parte I consiste en un resumen del estado del campo que contextualiza la investigación llevada a cabo. El Capítulo 1 contiene una síntesis de la evidencia atrofísica y cosmológica de la materia oscura en la que se recalca el papel principal que la materia oscura juega en nuestro entendimiento teórico y observacional del universo. En este capítulo se introduce el modelo estándar cosmológico LambdaCDM, con materia oscura fría y una constante cosmológica. En el Capítulo 2 se describe brevemente el Modelo Estándar de partículas así como el mecanismo teórico más popular para dotar de masa a los neutrinos. En el Capítulo 3 se discuten los conceptos, hipótesis y ecuaciones que permiten entender la evolución del universo primitivo. En concreto, se presenta la ecuación de Boltzmann que controla los procesos termodinámicos que ocurren fuera del equilibrio en el universo en expansión. El Capítulo 4 detalla las tres búsquedas desarrolladas por la comunidad para encontrar partículas de materia oscura tipo WIMP. Los principios físicos y la situación experimental de la detección directa, indirecta y en aceleradores de partículas de materia oscura tipo WIMP se presentan en detalle. El Capítulo 5 contiene los principales resultados y conclusiones de los distintos estudios realizados para esta tesis. La Parte II contiene los siete artículos originales publicados en las distintas revistas internacionales en los que esta tesis se basa. Por último, la Parte III consiste en un resumen detallado en español de la motivación, objetivos, metodología, resultados y conclusiones de esta tesis.The gravitational evidence for the existence of dark matter is overwhelming. The exquisite measurements of the Cosmic Microwave Background by the WMAP and Planck satellites have shown that ~26% of the energy budget of the Universe is encoded in a form of matter that only interacts gravitationally; which, in addition, represents ~84% of the matter in the Universe. Furthermore, innumerable studies have shown that galaxies, clusters of galaxies and the vast majority of the virialized objects in the Universe are dominated by some matter that does not emit light, i.e. dark matter. The unambiguous evidence for dark matter strongly contrasts with the absence of signals at laboratory experiments and satellite missions targeting the non-gravitational nature of dark matter. In this thesis we have investigated the cosmological and phenomenological implications of dark matter. Using a variety of cosmological observations, we have focused on the complementarity of early and late Universe probes, including scenarios beyond the canonical LCDM model. In particular, we have confronted dark matter-neutrino interactions and cold plus non-cold dark matter cosmologies with state of the art Cosmic Microwave Background observations, measurements of the galaxy matter power spectrum and estimates of the number of dwarf galaxies orbiting the Milky Way. From a phenomenological perspective, we have focused on the potential connection between dark matter and sterile neutrinos and on generic WIMP dark matter models, in particular those that could account for the Galactic Center gamma-ray excess. The former has allowed us to gain insight on the possible nature of dark matter, should it be related with the neutrino mass generation mechanism. We have examined in detail the case of a spontaneously broken global U(1) B-L with sterile neutrinos and dark matter, and the possibility of sterile neutrinos as being the link between the Standard Model and a dark sector. In our investigations of WIMP dark matter models, we have quantitatively shown the extent to which Z and Higgs dark matter mediated models are probed by current and future experiments, and we have highlighted the viability of a possible dark matter interpretation of the Galactic Center gamma-ray excess. In particular, by confronting scenarios in which the dark matter annihilates directly into Standard Model particles with Direct Detection and collider searches, and by highlighting hidden sector models that could account for the excess while remaining elusive to laboratory constraints. This thesis is structured in three parts. In Part I we present the context of the research presented. Chapter 1 provides a brief overview of the astrophysical and gravitational evidence for dark matter, highlighting the role of dark matter in our current theoretical and observational understanding of the Universe. The standard cosmological model LambdaCDM, with cold dark matter and a cosmological constant is introduced. Chapter 2 is a brief summary of the Standard Model of particle physics together with possibly the most theoretically appealing mass generation mechanism for the light active neutrinos, the seesaw mechanism. Chapter 3 deals with the concepts, assumptions, and equations required to understand the hot and dense early Universe. In particular, the Boltzmann equation governing the non-equilibrium thermodynamics is presented and discussed. In Chapter 4 we review the main WIMP dark matter probes. Direct detection, indirect searches, and some of the collider constraints on weak-scale dark matter are outlined. In Chapter 5, we summarize the main scientific results and conclusions of the research carried out for this thesis. In Part II we present a copy of the seven research articles done for this study, as published in the different journals during the development of this thesis. To conclude, in Part III we present a detailed summary in Spanish of the motivation, goals, methodology, results and conclusions of this thesis