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[EN] Under certain circumstances, dense dark matter spikes may be formed around black holes. These spikes can give rise to interesting observational signatures, including bright emissions from the annihilation of dark matter or effects on gravitational waves from black hole binaries. Therefore, they represent a promising way of detecting or constraining dark matter. However, their abundance and properties in our Universe are poorly understood. In this master thesis, we have analysed the population of dark matter spikes and their properties around direct collapse black holes, which are particularly promising intermediate-mass black holes for hosting them. This analysis has been done based on a dataset provided by a semi-analytic galaxy formation model. We have found that the dark matter spikes density can reach high density values around ~1017 Mʘ pc-3 which can produce detectable observations. Nevertheless, it is unlikely that dark matter spikes in direct collapse black holes have survived for redshift below four. Moreover, we have explored these dark matter spikes in detail, from developing the formalism for deriving their properties to discussing their possible observations. Thus, this thesis can be a starting point that will facilitate future research on dark matter spikes and dark matter in general., [ES] Bajo ciertas circunstancias, se puede producir una alta densidad de materia oscura alrededor de los agujeros negros, denominadas picos de materia oscura. Dichos picos debido a su alta densidad pueden dar lugar a observaciones como la emisión de rayos gamma por el proceso de aniquilación de la materia oscura o el efecto que producen en las ondas gravitacionales en los agujeros negros binarios. Por lo tanto, estas distribuciones representan un camino prometedor para detectar la materia oscura o restringir sus propiedades. Sin embargo, no se conoce mucho sobre su abundancia en nuestro Universo y sus propiedades. En este trabajo, hemos analizado dicha población de picos de materia oscura y sus propiedades alrededor de los agujeros negros de masa intermedia de colapso directo, los cuales son particularmente prometedores para hospedarlas. Este análisis se ha basado en los datos provenientes de un modelo semi analítico de formación de galaxias. Hemos estimado que los picos de densidad pueden alcanzar valores alrededor de ~1017 Mʘ pc-3 los cuales pueden producir observables detectables. No obstante, también hemos obtenido que es poco probable que dichos picos de densidad en agujeros negros de colapso directo hayan sobrevivido en corrimientos al rojo menores que cuatro. Además, en este trabajo, hemos explorado en detalle dichas distribuciones de materia oscura, desarrollando desde su formalismo para obtener sus propiedades hasta discutir sus posibles observaciones. Por lo tanto, esta tesis puede servir como un punto de partida para futuras investigaciones sobre los picos de materia oscura y la materia oscura en general.

[EN] The search for non luminous matter is demanding to have better sensitivity for the direct Dark Matter detection. On this path, the Institute of Physics in Cantabria has installed within its facilities a CCD Test Chamber aiming to calibrate and measure the dark current in skippers CCDs to decrease the noise level for the DAMIC-M experiment. In this final master project I describe some basics on skipper CCDs, the Ironman CCD Test Chamber components, the LEACH system, the Slow Control and a I give a brief analysis on the cryostat performance and the first CCD images taken in the Clean Room., [ES] La búsqueda de materia no luminosa exige una mejor sensibilidad para la detección directa de Materia Oscura. En este rubro, el Instituto de Física de Cantabria ha instalado dentro de sus instalaciones una Cámara de Pruebas para CCDs con el objetivo de calibrar y medir la corriente oscura de los skippers CCDs con la intención de disminuir el nivel de ruido en el experimento DAMIC-M. En este Trabajo de Fin de Máster, describo algunos conceptos básicos sobre los skipper CCDs, los componentes de la cámara de prueba Ironman para CCDs, el sistema LEACH y el Slow Control, además de realizar un análisis del rendimiento del criostato así como de las primeras imágenes de CCD tomadas en la sala limpia.

[EN] The Dark Photon and the axion are light particles, popular candidates for Dark Matter for being simple extensions to the Standard Model. Each of them has been actively searched for through the couplings called the vector portal and the axion portal. The focal aim of this thesis is to present a model (based on the work of Kunio Kaneta, Hye-Sung Lee, and Seokhoon Yun in 2017) which introduces a new portal connecting the Dark Photon and the axion, together with its phenomenology, implications for cosmology and detectability. This will be done making theoretical predictions about the properties of the axion and Dark Photon in order for them to account for all Dark Matter while being detectable in direct search experiments. The detectability of Dark Photons will be proven in particular for the LBC, proof-of-concept for DAMIC-M experiment, through simulations of the background noise and calculations of the expected Dark Photon signal in the LBC detector., [ES] El Fotón Oscuro y el axión son partículas ligeras y candidatos populares como Materia Oscura, por ser extensiones simples al Modelo Estándar. Cada una de ellas ha sido buscada actívamente a través de sus acoplamientos llamados portal vector y portal axión. El objetivo principal de esta tesis es presentar un modelo (basado en el trabajo de Kunio Kaneta, Hye- Sung Lee y Seokhoon Yun de 2017) que introduce un nuevo portal conectando el Fotón Oscuro y el axión, junto con su fenomenología, implicaciones para la cosmología y detectabilidad. Esto se hará realizando predicciones teóricas acerca de las propiedades del axión y del Fotón Oscuro tal que den cuenta de toda la Materia Oscura, siendo a su vez detectables en experimentos de búsqueda directa. La detectabilidad de los Fotones Oscuros será probada específicamente para la LBC, versión de prueba del experimento DAMIC-M, a través de simulaciones del ruido de fondo y cálculos de la señal esperada de los Fotones Oscuros en el detector de la LBC.

[EN] One of the most prominent open problems in modern cosmology is the identification of the nature of Dark Matter (DM), a kind of matter which is apparently invisible and only manifests itself strongly through gravitational effects which have had the scientific community intrigued throughout the past few decades. Up to now, no Standard Model particle has been able to fully describe the properties of DM so, at the moment, there are plenty of beyond Standard Model particles proposed as candidates to be constituents of DM. In particular this project is focused on one of them: millicharge DM particles, which have a very small electric charge, much smaller than that of an electron. The existence of these particles within the DM Halo surrounding our Galaxy would mean that there exists a certain flux of millicharged DM (mcDM) which is going through the Earth, and right into our detectors. In its path, the DM particles may interact with the different nuclei species on Earth, which makes them slow down, or even stop. This ’Earth-stopping’ effect may give rise to an interesting new time-varying signals once the particles reach the detector so, in this project, the ’Earth-stopping’ effect is thoroughly studied in the framework of direct detection, by initially analyzing the situation for the conventional, electrically neutral DM, and then analyzing it for the millicharge case. Then, the time varying signals corresponding to both DM scenarios are calculated for detectors located at different places on Earth, and buried at different depths. The signals are compared, and it is discussed whether this is a valid comparison method., [ES] Una de las cuestiones abiertas más relevantes en la cosmología moderna es la identificación de la naturaleza de la Materia Oscura, un tipo de materia que es aparentemente invisible y que tan solo se manifiesta fuertemente mediante efectos gravitatorios, que han tenido a la comunidad científica intrigada durante décadas. Hasta ahora, no ha habido ninguna propuesta válida de partícula desde el Modelo Estándar, con lo que existen numerosas propuestas fuera de este modelo y, particularmente, este proyecto se centra en una de dichas propuestas: la materia oscura milicargada, una partícula con una carga eléctrica mucho más pequeña que la de un electrón. La existencia de estas partículas en el Halo de materia oscura que nos rodea significaría que existiría un cierto flujo de estas partículas atravesando la tierra, y llegando a nuestros detectores. En su camino, la partícula de materia oscura podría interactuar con los núcleos terrestres, de tal manera que pudiera ser frenada o incluso parada totalmente. Este ’efecto de frenado terrestre’ podría dar lugar a nuevas señales dependientes del tiempo una vez que las partículas frenadas llegaran a los detectores. En este proyecto este efecto de frenado se estudia concienzudamente en el marco de la detección directa de materia oscura, analizando primero la situación para materia oscura convencional, para luego pasar a la materia oscura milicargada. Luego, las señales temporales asociadas a cada uno de los dos escenarios se calculan para detectores en distintas localizaciones y profundidades. Las señales correspondientes se comparan, y se discute si esta manera es una forma válida de compararlas.

[ES] El Fotón Oscuro y el axión son partículas ligeras y candidatos populares como Materia Oscura, por ser extensiones simples al Modelo Estándar. Cada una de ellas ha sido buscada activamente a través de sus acoplamientos llamados portal vector y portal axión. El objetivo principal de esta tesis es presentar un modelo (basado en el trabajo de Kunio Kaneta, Hye Sung Lee y Seokhoon Yun de 2017) que introduce un nuevo portal conectando el Fotón Oscuro y el axión, junto con su fenomenología, implicaciones para la cosmología y detectabilidad. Esto se hará realizando predicciones teóricas acerca de las propiedades del axión y del Fotón Oscuro tal que den cuenta de toda la Materia Oscura, siendo a su vez detectables en experimentos de búsqueda directa. La detectabilidad de los Fotones Oscuros será probada específicamente para la LBC, versión de prueba del experimento DAMIC-M, a través de simulaciones del ruido de fondo y cálculos de la señal esperada de los Fotones Oscuros en el detector de la LBC., [EN] The Dark Photon and the axion are light particles, popular candidates for Dark Matter for being simple extensions to the Standard Model. Each of them has been actively searched for through the couplings called the vector portal and the axion portal. The focal aim of this thesis is to present a model (based on the work of Kunio Kaneta, Hye-Sung Lee, and Seokhoon Yun in 2017) which introduces a new portal connecting the Dark Photon and the axion, together with its phenomenology, implications for cosmology and detectability. This will be done making theoretical predictions about the properties of the axion and Dark Photon in order for them to account for all Dark Matter while being detectable in direct search experiments. The detectability of Dark Photons will be proven in particular for the LBC, proof-of-concept for DAMIC-M experiment, through simulations of the background noise and calculations of the expected Dark Photon signal in the LBC detector.

[EN] In the present work, we perform a global analysis of a dark matter simplified model (DMSM) with a leptophilic spin-1 vector mediator that interacts with the Standard Model (SM) particles and connects them to the dark matter (DM) particles. The five parameters that characterise our model are the mass of the mediator (mY ), the mass of the DM particle (mDM) and the mediator couplings to the DM particles (gDM), to leptons (gl) and quarks (gq). In addition, we include some of the most recent experimental results as constraints on our model. In particular, we implement the most relevant results from the LHC experiments (from monojet, dijet and dilepton searches) and direct detection constraints (LUX, PandaX and XENON experiments). We also require our model to give the correct value for the DM relic density, in agreement with the cosmological observations from the Planck experiments on measuring the cosmic microwave background (CMB) anisotropies. The main tool used for this work is MasterCode, which is a framework that performs global analyses on multidimensional parameter spaces. Given our model, MasterCode computes the physics observables in all the parameter space and determines how well the model fits the experimental observations. We analyse the results on various planes of the parameter space, outlying which regions are excluded by the previous experiments and which ones are still a physical option., [ES] En este trabajo realizamos un análisis global de un modelo simplificado de materia oscura (DMSM) con un mediador vectorial leptofílico de spin-1 que interactúa con las partículas del Modelo Estándar (SM) y las conecta con las partículas de materia oscura (DM). Los cinco parámetros que caracterizan nuestro modelo son la masa del mediador (mY ), la masa de la partícula de materia oscura (mDM) y los acoplamientos del mediador a las partículas de materia oscura (gDM), a los leptones (gl) y a los quarks (gq). Además, incluimos algunos de los resultados experimentales más recientes como restricciones de nuestro modelo. En particular, implementamos los resultados más relevantes de los experimentos del LHC (de las búsquedas de monojets, dijets y dileptones) y de experimentos de detección directa (experimentos LUX, PandaX y XENON). También requerimos que nuestro modelo dé el valor correcto para la densidad reliquia de materia oscura, de acuerdo con las observaciones cosmológicas del experimento Planck que mide las anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB). La principal herramienta utilizada para este trabajo es el programa MasterCode, que realiza el análisis global en un espacio de parámetros multidimensional y determina lo bien que nuestro modelo se ajusta a las observaciones experimentales. Analizamos los resultados en varios planos del espacio de parámetros, destacando qué regiones están excluidas por los experimentos anteriores y cuáles siguen siendo una opción física.

[EN] The cosmological concordance model considers that approximately about twenty per cent of the energy/material composition of the Universe is constituted by some non-baryonic, non-interacting matter (except through gravitation and, perhaps, weak interaction) that is known as dark matter. Although there is much indirect observational evidence for the existence of dark matter, we have so far been unable to obtain any direct observation of it, and there is not even a consensus on which particles (outside the standard model) might constitute it. Among the many candidates that have been proposed to explain dark matter, one of the most interesting for modern cosmology is primordial black holes. Such primordial black holes could have been formed spontaneously from extreme local overdensities as a result of density fluctuations that emerged during the first moments after the Big Bang. In this work, we will review the theoretical background behind this idea, starting from simple models and then relaxing some of the assumptions of these models to consider more realistic scenarios. Subsequently, we will use the most recent gravitational wave observations from the public data of the LIGO and Virgo experiments to update, if possible, the current estimations of the contribution of primordial black holes to the total dark matter budget fPBH, as a function of its mass in the range [10⁻¹, 10³] M that form short-period binary systems. We have estimated that the maximum fraction of dark matter that primordial black holes constitute for a simple model is of the order of fPBH ≈ 10⁻⁴ in the mass range [10⁰, 10² ] M , becoming less restrictive for the rest of the mass range. When we have considered more realistic cases these constraints become weaker, obtaining a value of the order of fPBH ≈ 10⁻³ in the mass range [10⁰, 10²] M., [ES] El modelo de concordancia cosmológico considera que aproximadamente un veinte por ciento del contenido energético/material del Universo está constituido por algún tipo de materia no bariónica y no interactuante (salvo a través de la gravitación y, tal vez, de la interacción débil) que recibe el nombre de materia oscura. Aunque existen numerosas evidencias observacionales indirectas de la existencia de la materia oscura, por el momento no hemos podido obtener ninguna observación directa de la misma y ni siquiera existe consenso acerca de qué tipo de partículas (fuera del modelo estándar) pueden constituirla. De entre los muy variados candidatos que se han propuesto para explicar la materia oscura, uno de los más interesantes para la cosmología moderna son los agujeros negros primordiales. Dichos agujeros negros primordiales podrían haberse formado espontáneamente a partir de sobredensidades locales extremas fruto de las fluctuaciones de densidad que emergieron durante los primeros instantes tras el Big Bang. En este trabajo revisaremos los fundamentos teóricos que subyacen tras esta idea, partiendo de modelos sencillos y posteriormente relajando algunas de las suposiciones de dichos modelos para considerar situaciones más realistas. Posteriormente, haremos uso de las más recientes observaciones de ondas gravitacionales a través de los datos públicos de los experimentos LIGO y Virgo para actualizar, si es posible, las cotas actualmente existentes a la posible contribución de agujeros negros primordiales al balance total de materia oscura fPBH, en un rango de masas de agujeros negros primordiales [10⁻¹, 10³] M que forman sistemas binarios de periodo corto. Se ha estimado que la fracción máxima de materia oscura que constituyen los agujeros negros primordiales asumiendo un modelo sencillo, es del orden de fPBH ≈ 10⁻⁴ en un rango de masas [10⁰, 10²] M , volviéndose menos restrictivas para el resto del rango de masas. Cuando se consideran casos más realistas esta cot

[EN] The aim of this thesis is to study the sources of damage in silicon sensors, in particular the ones dedicated to Charge Couples Devices (CCDs) at DAMIC and DAMIC-M. This work is made with the idea of future applications in the CCDs of the DAMIC-M (Dark Matter In CCDs at Modane) experiment in order to improve the performance of the Dark Matter search; to accomplish this objective, a review of the state of the art for the different techniques used for the treatment of such damage is done. Besides, a study of the dark current and its dependence on the temperature for real data obtained at DAMIC is included, observing a linear dependence at first instance., [ES] El propósito de este TFM es estudiar las fuentes de daño en detectores a base de silicón, en particular, aquellos dedicados a las CCDs (Charged Coupled Devices, en inglés) en los experimentos DAMIC y DAMIC-M. Este trabajo está hecho teniendo en cuenta las futuras aplicaciones en las CCDs del experimento DAMIC-M (Dark Matter In CCDs at Modane), para poder mejorar la búsqueda de materia oscura con este tipo de experimentos. Para cumplir este objetivo, se hace una revisión del estado del arte de las diferentes técnicas utilizadas para tratar dicho daño. Además, se hace un estudio de la corriente oscura y su dependencia con la temperatura para datos reales obtenidos en DAMIC, se observa que hay una dependencia linear en un primer análisis.

[EN] This work frames in the context of a search for Dark Matter particles in association with a top quark-antiquark pair in the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the LHC. Simulated Monte Carlo data of proton-proton collisions at a center of mass energy of 13 TeV are used to train an Artificial Neural Network to discriminate between the signal model: dark matter in association with a top quark pair, and the background: standard model production of top quark pairs.

[EN] This project is the base for the elaboration of a Data Quality Monitoring System (DQM) for the direct search Dark Matter experiment: DAMIC (Dark Matter in CCDs). In this project, different variables are going to be studied to see to identify which ones characterised the data and perform a simple statistic test that allows to distinguish good and bad images. To be able to find possible elements that can be used to classify the images taken by the CCD,the data reading process has been studied along with the different variables taken from it., [ES] Este trabajo se basa en la búsqueda de una serie de parámetros que puedan ser usados en un sistema de monitorización de la toma de datos, para el experimento de detección directa de Materia Oscura DAMIC (en inglés, Dark Matter in CCDs). Para ello, se va a diseñar un prototipo de DQM (en inglés, Data Quality Monitoring), donde se estudiarán diferentes variables que caracterizan los datos y con las que implementar un test estadístico sencillo, que pueda separar las imágenes buenas de las malas. Para ver los posibles elementos con las que poder clasificar las imágenes tomadas por las CCD, se ha estudiado la cadena de procesado de datos y las distintas variables que se extraen de la lectura de las imágenes.