Search

Trabajo fin de Máster defendido en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Cantabria, el 28 de septiembre de 2022- Curso 2021-2022 - Máster Interuniversitario en Física de Partículas y del Cosmos (UIMP-UC-CSIC), [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., Beca Fundación Carolina

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 aim- ing 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 analy- sis on the cryostat performance and the first CCD images taken in the Clean Room. RESUMEN: 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 Prue- bas para CCD’s 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. Máster en Física de Partículas y del Cosmos

[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.

A search for dark matter particles produced in association with one or two top quarks in the dilepton final state using the analytic top reconstruction technique and Boosted Decision Trees is presented in this work. This analysis has been done by considering the full 137.1 fb-1 of proton-proton collisions data collected by the CMS at 13 TeV. This is the first time that dark matter is searched for combining its production with a top (or antitop) quark, and with a top antitop pair in such a final state. No evidence for the existence of dark matter has been found, but upper limits on the signal strength have been obtained by considering different production models. An expected (observed) exclusion for scalar and pseudoscalar mediators up to 215 (180) and 250 (220) GeV was respectively achieved, at the 95% confidence level. Scalar exclusion limits were therefore improved by a factor of 3 with respect to the previous results obtained in 2016 for the ttbar+DM model alone, while a pseudoscalar exclusion has been achieved for the first time when considering this particular final state. RESUMEN: En este trabajo se presenta una búsqueda de partículas de materia oscura producidas en asociación con uno o dos quarks top en el estado final dileptónico utilizando técnicas de reconstrucción analítica del sistema ttbar y Boosted Decision Trees. Este análisis se ha realizado considerando los 137.1 fb-1 de datos de colisiones protón-protón recopilados por el detector CMS a 13 TeV. Es la primera vez que se busca materia oscura para combinar su producción con un quark top (o antitop), y con un par top antitop en tal estado final. No se ha encontrado evidencia de la existencia de materia oscura, pero límites superiores de la sección eficaz de producción de la señal se han obtenido considerando diferentes modelos de señales. Se logró obtener una exclusión esperada (observada) para mediadores escalares y pseudoescalares hasta 215 (180) y 250 (220) GeV, respectivamente, con un nivel de confianza del 95%. Por lo tanto, los límites de exclusión escalar se mejoraron en un factor de 3 con respecto a los resultados anteriores obtenidos en 2016 solo para el modelo ttbar+DM, mientras que se logró por primera vez obtener una exclusión pseudoescalar al considerar este estado final.

L’objectiu de la física és produir models que coincideixin amb les observacions i ens permetin fer prediccions. Per tal de millorar la comprensió d’un determinat fenomen natural, cal experimentar. El Large Hadron Collider (LHC), l’accelerador de partícules més potent del món, es va construir amb la intenció de provar les prediccions de diferents teories de la física de partícules. Una d’elles és l’existència d’una partícula compatible amb el bosó de Higgs en el model estàndard. El seu descobriment, juntament amb moltes altres mesures, van convertir el model estàndard en un dels models més coherents amb la natura en la física de partícules. Hi ha, però, algunes observacions experimentals que romanen fora del poder explicatiu del model estàndard. Un exemple és la velocitat inesperadament alta a les corbes de rotació de les galàxies. Una de les explicacions més esteses d’aquestes observacions és la proposta d’existència de la matèria fosca, una contribució de matèria a les galàxies que interacciona molt feblement amb la matèria ordinària. El treball presentat en aquesta tesi presenta alguns dels últims intents del detector ATLAS de l’LHC per produir i detectar matèria fosca. A causa de la seva baixa taxa d’interacció, la recerca de matèria fosca als col·lisionadors es fa indirectament mitjançant l’observació d’un gran desequilibri en el moment entre les partícules col·lisionades i els productes de col·lisió. Aquest tipus de cerca es coneix típicament com a cerca Mono-X, ja que l’energia que falta ha d’anar acompanyada d’algun objecte descrit al Model Estàndard per poder ser detectat i es pot denominar X. A l’LHC, hi han moltes cerques d’aquest tipus i en aquesta tesi es posa especial consideració en l’anàlisi d’esdeveniments amb una gran energia transversal que falta produïda en associació a un jet, un fotó i un bosó vectorial que decau de manera hadrònica. Aquesta tesi també presenta un conjunt d’estudis relacionats amb la mesura de la lluminositat d’ATLAS mitjançant el seu calorímetre hadrònic. El objetivo de la física es producir modelos que coincidan con las observaciones y nos permitan realizar predicciones. Para mejorar la comprensión de un determinado fenómeno natural, es necesario experimentar. El Large Hadron Collider (LHC), el más potente acelerador de partículas del mundo, se construyó con la intención de probar las predicciones de diferentes teorías de la física de partículas. Una de ellas es la existencia de una partícula compatible con el bosón de Higgs en el modelo estándar. Su descubrimiento, junto con otras muchas medidas, convirtieron el modelo estándar en uno de los modelos más coherentes con la naturaleza en la física de partículas. Sin embargo, hay algunas observaciones experimentales que permanecen fuera del poder explicativo del modelo estándar. Un ejemplo es la velocidad inesperadamente alta en las curvas de rotación de las galaxias. Una de las explicaciones más extendidas de estas observaciones es la propuesta de existencia de la materia oscura, una contribución de materia a las galaxias que interacciona muy débilmente con la materia ordinaria. El trabajo presentado en esta tesis presenta algunos de los últimos intentos del detector ATLAS del LHC de producir y detectar materia oscura. Debido a su baja tasa de interacción, la búsqueda de materia oscura en los colisionadores se realiza indirectamente mediante la observación de un gran desequilibrio en el momento entre las partículas colisionadas y los productos de colisión. Este tipo de búsqueda se conoce típicamente como búsqueda Mono-X, ya que la energía que falta debe ir acompañada de algún objeto descrito en el Modelo Estándar para poder ser detectado y se puede denominar X. En el LHC, hay han muchas búsquedas de este tipo y en esta tesis se pone especial consideración en el análisis de eventos con una gran energía transversal que falta producida en asociación a un jet, un fotón y un bosón vectorial que decae de forma hadrónica. Esta tesis también presenta un conjunto de estudios relacionados con la medida de la luminosidad de ATLAS mediante su calorímetro hadrónico. The goal of physics is to produce models that match observations and allow us to make predictions. In order to improve the understanding on a particular natural phenomena, experimentation is required. The Large Hadron Collider (LHC), the most powerful particle accelerator in the world, was built with the intention of testing the predictions of different theories of particle physics. One of them being the existence of a particle compatible with the Higgs boson in the Standard Model. Its discovery, together with many other measurements, made the Standard Model one of the most consistent models with nature in particle physics. There are, however, some experimental observations that remain out of the explanatory power of the Standard Model. Such an example is the unexpectedly high velocity in galaxy rotation curves. One of the most extended explanations for these observations is the proposed existence of Dark Matter, a contribution of matter to the galaxies that interacts very weakly with ordinary matter. The work presented in this thesis relates to some of the latest attempts from the ATLAS detector at the LHC to produce and detect Dark Matter. Due to its low interaction rate, the search of Dark Matter at colliders is done indirectly via the observation of a large imbalance in momentum between the collided particles and the collision products. This approach is commonly referred to as a Mono-X search, since the missing energy needs to be accompanied by some object described in the Standard Model in order to be detected and can be referred to as X. At the LHC, many Mono-X type searches are conducted and in this thesis special regard is put into analysis of events with large missing transverse energy produced in association to a jet, a photon, and to a hadronically decaying vector boson. This thesis also presents a set of studies related to the measurement of luminosity of ATLAS using its hadronic calorimeter. Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Física

RESUMEN Se presenta la medida de la sección eficaz de producción de un par de bosones W+W- en colisiones protón-protón a una energía de centro de masas de 13 TeV. Los datos analizados en este estudio han sido recogidos por el detector CMS del LHC, y se corresponden con una luminosidad integrada de 35.9 fb-¹. Los eventos candidatos se seleccionan requiriendo dos leptones con carga opuesta. Se mide una sección eficaz de producción total de 117.6 ± 6.8 pb, que acuerda bien con la predicción teórica. También se hacen medidas de las secciones eficaces fiduciales y diferenciales, que acuerdan bien con las predicciones teóricas. Finalmente, se obtienen límites en los operadores de dimensión-6 en el contexto de la teoría de campo efectivo. Este análisis proporciona algunos de los límites más fuertes en dichos operadores comparando con resultados previos. Se realiza una búsqueda de materia oscura en colisiones protón-protón a una energía de centro de masa de 13 TeV usando eventos con un par de bosones W+W- y una gran cantidad faltante de momento transverso. Los datos usados en este estudio han sido recogidos por el detector CMS del LHC, y se corresponden con una luminosidad integrada de 137 fb-¹. Los eventos candidatos se seleccionan requiriendo dos leptones con carga opuesta. No se observa ningún exceso significativo de los datos sobre las predicciones del Modelo Estándar, por lo que se obtienen límites en la producción de materia oscura en el contexto del modelo simplificado de Higgs oscuro, con una masa para el bosón de Higgs oscuro por encima de la masa umbral del par W+W-. Los resultados presentados se corresponden con la primera medida realizada por el experimento CMS usando esta nueva interpretación. Se aplican técnicas de aprendizaje automático profundo para estimar el momento transverso de muones altamente energéticos en el detector CMS. El objetivo principal de estos estudios es mejorar los resultados del procedimiento utilizado actualmente, y de ser así, considerar incluir este tipo de metodologías en la futura toma de datos del experimento. Los resultados preliminares, basados en simulación, muestran una mejora de aproximadamente un 25% en la resolución de la asignación de momento transverso para muones con with 1500 < pT < 2500 GeV y |η| < 0.9. ABSTRACT A measurement of the W+W- boson pair production cross section in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is presented. The data used in this study are collected with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb-¹. The W+W- candidate events are selected by requiring two oppositely charged leptons. The total W+W- production cross section measurement has been 117.6 ± 6.8 pb, which agrees well with the theoretical prediction. Fiducial cross sections and differential cross sections are also reported, which also agree well with the theoretical prediction. Finally, constraints on the dimension-6 operators in the context of an effective field theory are derived. This analysis provides some of the strongest constraints compared with previous results. A search for dark matter in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is performed using events with a W+W- boson pair and large missing transverse momentum. The data used in this study are collected with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb-¹. The W+W- candidate events are selected by requiring two oppositely charged leptons. No significant excess over the expected Standard Model prediction is observed. Limits are set on dark matter production in the context of the dark Higgs simplified model, with a dark Higgs mass above the W+W- pair mass threshold. The results presented correspond to the first measurement carried out in the CMS experiment using this novel interpretation. Deep learning techniques are applied to estimate the transverse momentum of highly energetic muons in the CMS detector. The main goal of these studies is to improve the results of the current procedure, and if so, consider including these types of methodologies in the future data taking of the experiment. The preliminary results obtained, based on simulation, show an improvement of about 25% in the resolution of the transverse momentum for muons with 1500 < pT < 2500 GeV and |η| < 0.9.

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Teórica. Fecha de lectura: 21-01-2022

Los métodos multivariantes son un gran aliado para llevar a cabo tareas de clasificación cuando la dimensión del conjunto de datos es elevada. En particular, estas técnicas son muy utilizadas en física de partículas cuando se desea extraer una señal de interés de un fondo que es mucho más dominante. En general, estos métodos multivariantes ignoran el efecto de los errores sistemáticos en la fase de entrenamiento, resultando en modelos que quizá no se ajusten tanto a la realidad como se piensa. En este trabajo de fin de grado se exploran diversos métodos para incluir los efectos de los errores sistemáticos en la fase de entrenamiento de estos algoritmos. En particular, se propone un método reducido de data augmentation. Se ha encontrado que este método proporciona resultados bastante aceptables en ejemplos sintéticos, razón por la cual se ha comprobado su efectividad en un estudio real de búsqueda de materia oscura. En concreto, se ha aplicado para mitigar los errores sistemáticos que afectan a la energía de escala de los jets y a la energía transversa faltante. Se ha obtenido que, en algunos puntos de interés, el método propuesto es capaz de reducir más del 70% el efecto de los errores sistemáticos. Más aún, se ha comprobado que para ciertos puntos de eficiencia permite disminuir la proporción de eventos de fondo mal clasificados como señal hasta en un 4 %, lo que supone un gran avance teniendo en cuenta que en el caso realista estudiado la señal queda enmascarada por un fondo varios ´ordenes de magnitud superior. Multivariate methods are a great ally in performing classification tasks when the dimension of the data set is high. In particular, these techniques are widely used in particle physics when one wants to extract a signal of interest from a much more dominant background. In general, these multivariate methods ignore the effects of systematic uncertainties in the training phase, which means that the resulting models will not fit reality as well as one might expect. In this final project, several methods are explored to account for the effects of systematic uncertainties in the training phase of these algorithms. Among them, a reduced data augmentation method is proposed. This method has been shown to give quite acceptable results for synthetic examples, so its effectiveness has been tested in a real dark matter search study. In particular, it has been applied to reduce the systematic uncertainties in the jet energy scale and in the missing transverse energy. It has been shown that the proposed method can reduce the effects of the systematic uncertainties by more than 70% at some points of interest. In addition, it has been found that in some other working points it can reduce the fraction of background events misclassified as signal by up to 4 %, which is a great advance considering that in the realistic case studied the signal is masked by a background several orders of magnitude larger. Grado en Física

El interés por la ecuación de Klein-Gordon con diferentes potenciales ha aumentado en los últimos años debido a su posible aplicaciones en Cosmología, Física de Hadrones y Física de Altas Energías. En este trabajo, investigamos las soluciones de la ecuación de Klein–Ecuación para bosones bajo la influencia de un potencial externo utilizando el método de Feshbach-Villars. Presentamos resultados detallados en dos casos: el potencial de Coulomb y el potencial armónico. Para el segundo caso, estudiamos los efectos de la auto-interacción de partículas dentro de una aproximación de de campo medio. Mostramos que nuestros resultados convergen suavemente a la solución de la ecuación de Schrödinger para los mismos sistemas a medida que disminuyen los efectos relativistas. En inglés: The interest in the Klein–Gordon equation with different potentials has increased in recent years due to its possible applications in Cosmology, Hadron Physics and High-Energy Physics. In this work, we investigate the solutions of the Klein–Gordon equation for bosons under the influence of an external potential by using the Feshbach–Villars method. We present detailed results for two cases: the Coulombic potential and the harmonic potential. For the latter case, we studied the effects of self-interacting particles by adopting a mean-field approach. We show that our results converge smoothly to the solution of the Schrödinger equation for the same systems as the relativistic effects diminish., FQM-225, CNPq-Brazil 304244/2018-0, Consejería de Conocimiento, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, FAEPEX 2019/010889-1, 3258/19, Investigación y Universidad of the Junta de Andalucía, Junta de Andalucía-Consejería de Economía y Conocimiento 2014-2020 Operational Program, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo 2021/12954-5, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico 306615/2018-5, European Regional Development Fund RYC-2016-20678, SOMM17/6105/UGR, Junta de Andalucía A-FQM-178-UGR18, FQM-225, Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia: Física Nuclear e Aplicações 2016/17612-7, 464 898/2014-5, Consejería de Conocimiento, Investigación y Universidad, Junta de Andalucía

La dinámica de las estrellas del cúmulo S alrededor del centro galáctico provee uno de los mejores observables astrofísicos para inferir el potencial gravitatorio central dominado por una fuente compacta, Sgr A*, tradicionalmente asumida como un Agujero Negro (AN). Un modelo alternativo que explica la componente de materia oscura a lo largo de toda la galaxia es el modelo Ruffini-Argüelles-Rueda (RAR), que consiste en una distribución continua de materia constituida por fermiones neutros de spin 1/2 cuya morfología de núcleo denso y compacto logra explicar la dinámica de las estrellas del cúmulo S, mientras que la componente más externa de halo diluido ajusta las curvas de rotación de la galaxia. En este trabajo de Tesis se calcula la energía potencial efectiva en geometrías Schwarzschild y RAR, y se realiza un análisis de estabilidad de órbitas. Con el estudio de geodésicas en estos espacios se calculan los ángulos de precesión para dos estrellas del cúmulo S y se realiza una comparación entre ambos modelos. Las soluciones RAR, al ser una distribución extendida de materia con un núcleo compacto, permiten una precesión retrógrada y directa, que depende de la energía de los fermiones. Se realiza también un análisis de la energía de ligadura gravitacional para partículas masivas de prueba en órbitas circulares, alrededor de distribuciones RAR y de agujeros negros. Mientras que para la solución no-singular de energía de los fermiones de mc² = 56 keV la eficiencia de energía radiada es comparable con la correspondiente eficiencia de acreción sobre estrellas Enanas Blancas con ε ∼ 10⁻⁴, para la solución RAR crítica con mc² = 345 keV (justo antes del colapso gravitacional del núcleo compacto), la eficiencia resulta un factor de aproximadamente 5 veces mayor que para el caso de AN de Schwarzschild., The dynamics of the S-Cluster around the galactic center provides one of the best astrophysical observable to test the central gravitational potential dominated by a compact source, Sgr A*, traditionally assumed to be a Black Hole (BH). An alternative model, which explains the dark matter component of the galaxy from the center all the way to the external halo, is the Ruffini-Argüelles-Rueda (RAR) model. It consists of a continuous matter distribution of neutral, spin 1/2 fermions whose morphology of a dense and compact core also explains the dynamics of the S-cluster stars, while the outermost diluted halo component fits the galaxy rotation curves. In this Thesis work, the effective potential energy in Schwarzschild and RAR geometries is calculated, and an orbit stability analysis is performed. With the study of geodesics in these spaces, the precession angles are calculated for two stars of the S cluster, and a comparison is made between both models. The RAR solutions, being an extended matter distribution with a compact core, allows retrograde and direct precession, which depends on the fermion’s energy. An analysis of the gravitational binding energy for massive test particles in circular orbits around RAR and BH distributions is also performed. While non-singular solutions with fermion energies of mc2 = 56keV, the radiated energy efficiency is comparable to gas accretion onto White Dwarf stars with ε ∼ 10−4, for the critical energy solution, just before the gravitational collapse of the compact core mc² = 345keV, the efficiency turns out to be an order of magnitude higher than the Schwarzschild BH case., Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas

Grado en Física., [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.

Trabajo fin de Máster defendido en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Cantabria, el 23 de julio de 2021 - Curso 2020-2021 - Máster Interuniversitario en Física de Partículas y del Cosmos (UIMP-UC-CSIC), [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 este trabajo estudiaremos un modelo de materia oscura y su posible detección en detectores que usan métodos directos. Para esto analizamos la interacción entre materia oscura y quarks y posteriormente nucleones y núcleos. Tomaremos como referencia extensiones mínimas de modelos supersimétricos, al tipo del modelo MSSM y extensiones similares. Desarrollaremos el formalismo necesario para calcular la sección eficaz de interacción entre los WIMPs (partícula masiva débilmente interactuante) y los quarks como función de los parámetros del modelo, tomaremos como partícula de materia oscura neutralinos (χ) de masas menores a 600 GeV. Consideraremos dos tipos de interacciones en el lagrangiano efectivo, la interacción escalar y la interacción axial-vectorial. Encontramos que en ambos tipos de interacción, la sección eficaz neutralino-nucleón decrece para valores crecientes del parámetro µ. Para el caso de interacción escalar, la sección eficaz entre neutralino y neutrones es similar a la correspondiente a la interacción entre neutralino y protones. El mediador dominante es el Higgs más liviano. Por otro lado, encontramos que la sección eficaz disminuye al aumentar el parámetro tan β. Hemos comparado las secciones eficaces calculadas con datos observacionales y estimaciones teóricas disponibles. Para el caso de interacción axial-vectorial, encontramos que las secciones eficaces para neutrones y protones son diferentes y es más notoria para masas pequeñas del neutralino. El bosón mediador que domina el canal axial-vectorial es el Z. En este canal, la sección eficaz cambia al modificar el valor de tan β y este cambio depende del valor del parámetro µ y de la masa del neutralino. A continuación, calculamos la tasa de reacciones posibles en un detector considerando dispersión elástica independiente y dependiente del spin. Encontramos que depende de la posición geográfica de los detectores, la fase de la señal depende de la longitud y la amplitud de la latitud. La mayor interacción entre la materia oscura y los núcleos del detector se da a bajas energías de retroceso, es por esto que es muy importante lograr una mayor sensitividad en los detectores. Al estudiar la dependencia con los parámetros del modelo teórico utilizado, encontramos que a menor valor de µ la tasa de reacciones aumenta. Por último en base a los resultados obtenidos, concluimos que para el futuro laboratorio ANDES es conveniente utilizar un detector de xenón o iodo si se quiere medir la interacción independiente del spin, ya que las tasas de reacciones calculadas resultan ser las mayores. Mientras que si se busca medir la interacción dependiente del spin no podemos concluir qué material es el más conveniente, ya que tasa de interacción depende del modelo nuclear utilizado para calcular el contenido de spin., Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas

Máster en Física de partículas y del Cosmos., [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.

La naturalesa de la matèria fosca (DM) de l’univers segueix essent un misteri a dia d’avui malgrat els esforços de la comunitat científica. D’entre les partícules candidates, més enllà del model estàndard de física de partícules, destaca la Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) com una de les més prometedores. S’estima la seva massa entre pocs GeV i centenars de TeV, encaixant perfectament en l’interval d’energies testejades per a la cerca indirecta de la DM. Els telescopis MAGIC, situats a l’Observatorio del Roque de los Muchachos, a l’illa canària de La Palma, fan cerques indirectes de les WIMP des que van entrar en funcionament. Els objectes observats més comuns amb aquest objectiu són les galàxies nanes esferoïdals (dSphs) satèl·lits de la Via Làctia i el centre galàctic amb el seu halo. En aquesta tesis presento el resultat de les cerques indirectes d’anihilació de WIMPs en tres diferents objectes d’observació (el cúmul globular M15 i les dSphs Draco i Coma Berenices), així com els resultats obtinguts a partir de la combinació de les dades de les dues dSphs estudiades i dues dSphs analitzades prèviament dins de la col·laboració MAGIC. No s’ha trobat cap senyal en qualsevol dels 4 estudis. L’estudi de M15 ha constituït un repte, debut al modest excés de densitat de DM que se suposa hi ha en aquest tipus d’objectes i a les grans incerteses sistemàtiques associades als perfils de dispersió de la velocitat de les estrelles en els seus centres. Per tal d’obtenir una estimació de les sensibilitats que es poden obtenir amb aquest tipus d’anàlisis, s’han considerat quatre diferents perfils de densitat de DM en M15. S’han obtingut límits superiors estadístics sobre la mitjana de la secció eficaç d’anihilació de WIMPs multiplicada per la velocitat (en endavant velocity-averaged cross-section) considerant perfils de densitat de DM proporcionats en els treballs de H.E.S.S. i VERITAS. Els resultats obtinguts són compatibles amb els presentats en les seves respectives publicacions. Addicionalment, s’han trobat límits superior de prova considerant perfils de densitat de M15 i del seu contingut en matèria no bariònica en un escenari d’un cos dominat per DM. Els límits obtinguts amb aquest mètode són millors que els que s’obtenen amb les més prometedores dSphs, però al mateix temps són poc realistes i proporcionen només un valor mínim de la velocity-averaged cross-section que es pot assolir en M15, a l’espera de noves mesures cinemàtiques en les seves parts centrals. Les dSphs Draco i Coma Berenices han estat observades amb els telescopis MAGIC dins d’una campanya de diversificació de fonts d’observació plurianual. S’han obtingut límits superiors realistes amb un 95% de nivell de confiança en la velocity-averaged cross-section de WIMPs. La combinació de les dades d’aquestes dues dSphs amb les de les altres dues anteriorment observades amb MAGIC (Segue 1 i Ursa Major II) ha permés de millorar la sensibilitat en la cerca indirecta d’anihilació de WIMPs. Els resultats obtinguts constitueixen el llegat de la col·laboració MAGIC en aquest camp, i són els més restrictius trobats a MAGIC i els més estrictes en l’interval de massa de WIMP ~10-100 TeV en les cerques en astrofísica de raigs gamma, arribant a límits superiors de l’ordre de 10⁻²⁴ cm³/s sobre la velocity-averaged cross-section amb un nivel de confiança del 95%. En l’última part de la tesis es presenta la meva contribució al desenvolupament i posada a punt del Barcelona Raman LIDAR, un instrument avançat i no comercial optimitzat per a la monitorització de l’atmosfera sobre el Cherenkov Telescope Array. La naturaleza de la materia oscura (DM) en el universo sigue siendo un enigma a día de hoy a pesar los esfuerzos de la comunidad científica. Entre las partículas candidatas más allá del modelo estándar de física de partículas destaca la Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) como una de las más prometedoras. Su masa se estima entre pocos GeV y cientos de TeV, encajando perfectamente en el intervalo de energías testeadas para la búsqueda indirecta de la materia oscura. Los telescopios MAGIC, situados en el Observatorio del Roque de los Muchachos en la isla canaria de La Palma, realizan búsquedas indirectas de WIMP desde que entraron en operación. Los objetos observados más comunes para tal fin son las galaxias esferoidales enanas (dSphs) satélites de la Vía Láctea y el centro galáctico y su halo. En esta tesis presento el resultado de las búsquedas indirectas de aniquilación de WIMPs en tres diferentes objetos de observación (el cúmulo globular M15 y las dSphs Draco y Coma Berenices) así como los resultados obtenidos a partir de la combinación de los datos de las dos dSphs estudiadas y dos dSphs analizadas previamente dentro de la colaboración MAGIC. No se ha encontrado ninguna señal en cualquiera de los 4 estudios. El estudio de M15 ha constituido un reto debido al modesto exceso de densidad de DM supuesto en este tipo de objetos y las grandes incertidumbres asociadas a los perfiles de dispersión de la velocidad de las estrellas en sus centros. Para obtener una estimación de las sensibilidades que se pueden obtener en este tipo de análisis, se han considerado cuatro diferentes perfiles de densidad de DM de M15. Se han obtenido límites superiores estadísticos sobre el promedio de la sección eficaz de aniquilación de WIMPs multiplicada por la velocidad (en adelante velocity-averaged cross-section) considerando los perfiles de densidad de DM proporcionados en los trabajos de H.E.S.S. y VERITAS. Los resultados obtenidos son compatibles con los presentados por sus respectivas publicaciones. Adicionalmente, se han encontrado límites superiores de prueba considerando perfiles de densidad de DM obtenidos a partir de la convolución del perfil de densidad de M15 y de su contenido de materia no bariónica en un escenario de un cuerpo dominado por DM. Los límites obtenidos con este método son mejores que los que se obtienen con las más prometedoras dSphs, pero al mismo tiempo son poco realistas y proporcionan solamente un valor mínimo de la velocity-averaged cross-section alcanzable en M15, a la espera de nuevas medidas cinemáticas en sus partes centrales. Las dSphs Draco y Coma Berenices han sido observadas con los telescopios MAGIC dentro de una campaña de diversificación de fuentes de observación plurianual. Se han obtenido límites superiores realistas con un 95% de nivel de confianza en la velocity-averaged cross-section de WIMPs. La combinación de los datos de estas dos dSphs con los de las otras dos dSphs anteriormente observadas con MAGIC (Segue 1 y Ursa Major II) ha permitido mejorar la sensibilidad en la búsqueda indirecta de aniquilación de WIMPs. Los resultados obtenidos constituyen el legado de la colaboración MAGIC en este campo, y son los más restrictivos alcanzados en MAGIC y los más estrictos en el intervalo de masa de WIMP ~10-100 TeV en las búsquedas en astrofísica de rayos gamma, llegando a límites superiores del orden de 10⁻²⁴ cm³/s sobre la velocity-averaged cross-section con un nivel de confianza del 95%. En la última parte de la tesis se presenta mi contribución al desarrollo y puesta a punto del Barcelona Raman LIDAR, un instrumento avanzado y no comercial optimizado para la monitorización de la atmósfera encima del Cherenkov Telescope Array. The nature of Dark Matter (DM) in the Universe is still an enigma at present day, despite the efforts of the scientific community. Among the favorite DM particle candidates beyond the Standard Model of particle physics, the Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) is of the most promising. Predicted to have a mass between few GeV and hundreds of TeV, it fits perfectly in the energy range tested by indirect dark matter searches with Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes. The MAGIC telescopes, located at the Observatorio del Roque de los Muchachos, on the Canary Island of La Palma, perform indirect DM searches for WIMPs since their very beginning. Among the targets observed, dwarf spheroidal satellite galaxies (dSphs) and the Galactic Center and halo are the most common, both expected to be embedded in a high DM overdensity. In this thesis I present the outcome of indirect WIMP annihilation searches from three different observation targets (the globular cluster M15 and the dSphs Draco and Coma Berenices) together with the results obtained by a combination of data from the two dSphs studied in this thesis and two dSphs previously analyzed by the MAGIC collaboration. No signal has been observed in any of the four searches. The study of M15 has been a challenge due to its relatively low DM overdensity predicted and the large systematic uncertainties resulting from the current lack of star velocity dispersion profiles at its core. In order to get an estimate of the sensitivities achievable with this type of analyses, four different realizations of the M15 DM density profile were investigated. Statistical upper limits on the velocity-averaged WIMP annihilation cross-section have been obtained with the use of the DM profiles provided by the H.E.S.S. and VERITAS experiments. The results obtained are compatible with those presented in their respective publications. Further toy statistical upper limits have been obtained taking into account DM density profiles from a convolution of the M15 density profile and its expected non-baryonic matter content in a scenario of DM domination. The limits retrieved with this method are better than the most promising ones from dSphs, but at the same time systematically unreliable, and provide only a minimum value of the velocity-averaged cross-section attainable in M15, awaiting for new kinematic measurements at globular clusters cores. The dSphs Draco and Coma Berenices were observed during the past years with the MAGIC telescopes within a multi-year diversification campaign. Reliable 95% CL upper limits on the velocity-averaged WIMP annihilation cross-section have been retrieved and are presented in this thesis. The data of these two dSphs are also combined with the ones of the two other dSphs previously observed with the MAGIC telescopes, namely Segue 1 and Ursa Major II, to achieve the best sensitivity for indirect WIMP DM annihilation searches. The results obtained constitute the MAGIC collaboration legacy in this field, and are the most constraining reached by MAGIC and the most stringent in the ~ 10-100 TeV WIMP DM mass interval in gamma-ray astrophysics searches so far, reaching upper limits of the order of 10⁻²⁴ cm³/s for the velocity-averaged cross-section. In the last part of this thesis, I present my contribution to the development and set up of the Barcelona Raman LIDAR, an advanced and no commercial instrument optimized for the atmospheric monitoring above the future Cherenkov Telescope Array. Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Física

Grado en Física., [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.

En el presente trabajo se estudia la dinámica de corrientes estelares, generadas según un modelo de spray, a través de las cuales se pretende comparar dos modelos de distribuciones de materia oscura a escala galáctica, el llamado modelo NFW (Navarro-Frenk-White) y el modelo basado en una distribución autogravitante de fermiones neutros, llamado modelo RAR extendido (Ruffini-Argüelles-Rueda). Estos harán las veces de la galaxia huésped ya que no se tendrá en cuenta la componente bariónica de la misma. Utilizando un método de eyección de estrellas del tipo Lagrange Cloud Stripping, según su denominación en inglés, y un modelo para el radio de marea del sistema satélite-galaxia huésped, se generaron tres corrientes estelares. Una producida por la galaxia elipsoidal enana Sagitario, sumergida, primero, en un potencial tipo NFW y luego en uno tipo RAR; y la otra, generada por el cúmulo globular Palomar 5 como progenitor, sumergido en un potencial tipo RAR. Para los tres casos se utilizaron condiciones iniciales fiduciarias como datos de entrada para la resolución de las ecuaciones de movimiento de los satélites en torno a la distribución de materia oscura. Como resultado de las distribuciones de estrellas generadas considerando la atracción gravitatoria de ambos sistemas, la de la galaxia huésped y la del progenitor, se observaron variaciones en la forma y longitud de las corrientes estelares en función de la órbita que sigue el progenitor y del valor de su radio de marea a lo largo de esa trayectoria. Ambas características físicas, la órbita del progenitor y la de las estrellas que eyecta, y el radio de marea del sistema satélite-galaxia huésped, dependen de la distribución de masa elegida para modelar el halo de materia oscura que constituye la galaxia huésped. Esto permite la comparación entre los distintos modelos de distribución de materia oscura a través de las corrientes estelares., In the current work we studied the dynamics of stellar streams, generated according to a spray model, with the aim of comparing two models of dark matter distributions in a galactic scale, the one called NFW (Navarro-Frenk-White) and the model based in a selfgravitating distribution of neutral fermions, called extended RAR model (Ruffini-Arg¨uelles- Rueda). These will act as the host galaxy since the baryonic component of it will not be taken into account. Using a Lagrange Cloud Striping like method of ejection of stars and a model for the tidal radius of the satellite-host galaxy system, we generated three stellar streams. One produced by the Sagittarius dwarf spheroidal galaxy, firstly, under the influence of a NFW gravitational potential and then under the influence of a RAR gravitational potential. The last one was generated by the Palomar 5 globular cluster like progenitor under a RAR potential. In the three cases fiduciary initial conditions were used to solve the equations of motion of the satellites around the dark matter distribution. The results of the stellar distributions generated considering both, the gravitational attraction of the host galaxy and that of the progenitor, were variations in the shape and length of the stellar streams, both characteristics depending on the orbit that the progenitor follows and the value of the tidal radius of it along this trajectory. Both physical characteristics, the orbit of the progenitor and that of the stars it ejects, and the tidal radius of the satellite-host galaxy system, depend on the mass distribution chosen to model the dark matter halo that constitutes the host galaxy. This allows comparison between the different models of dark matter distribution through stellar streams., Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas

En este trabajo modelamos estrellas de quarks sin y con materia oscura en sus núcleos. Uno de los objetivos es realizar avances respecto a la desconocida Ecuación de Estado de la materia densa que describiría a estas hipotéticas estrellas. Por otro lado, a partir de analizar posibles cambios en observables astrofísicos como la masa, el radio y las frecuencias de oscilación de modos no radiales, asociados con la emisión de ondas gravitacionales, pretendemos adentrarnos en la comprensión y el comportamiento de la materia oscura, cuya naturaleza aún es una incógnita. Para alcanzar ambos objetivos, hemos estudiado, primero, la estabilidad de la materia de quarks y las condiciones para las cuales dicha condición se cumple, en el contexto del modelo de bolsa del MIT que incluye correcciones debido a la incorporación de la constante de acoplamiento fuerte de la Cromodinámica Cuántica. Hemos construído distintas ecuaciones de estado, considerando al quark extraño con y sin masa y hemos analizado las configuraciones obtenidas variando la constante de acoplamiento fuerte y la constante de la bolsa. Luego, hemos analizado el modelo utilizado para la descripción de la materia oscura, a través de la construcción de configuraciones de materia oscura muy pequeñas obtenidas a partir de las ecuaciones de Tolmann-Oppenheimer-Volkoff, considerando que dicha materia puede o no interactuar consigo misma a través de un parámetro de interacción dado por el modelo. Además, hemos analizado como varía la masa de dichas configuraciones para distintos valores de densidad de energía central. Finalmente, hemos acoplado los dos tipos de materia, extraña y oscura, considerando configuraciones estelares de dos fluidos, para las que obtuvimos diferentes curvas de masa-radio. Para completar el análisis, hemos estudiado las frecuencias de oscilación no radiales del modo fundamental f de estos objetos, utilizando la aproximación relativista de Cowling. Los objetos estudiados cumplen con las restricciones astrofísicas actuales impuestas por los púlsares masivos y la emisión de ondas gravitacionales., Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas

El Modelo Estándar de las Interacciones Fundamentales (SM) representa una de las teorías más precisas de la física. Entre las predicciones del SM encontramos, por ejemplo, el momento magnético anómalo del electrón a_e = 0,001159652181643 (764). Esta predicción coincide con los resultados experimentales en más de diez dígitos significativos, la predicción más precisa en la historia de la física. Sin embargo, hoy en día tenemos varias evidencias de que el SM solo explica el 5% del contenido de materia del Universo. El otro 95% está compuesto por las denominadas Energía Oscura y Materia Oscura. Como sugieren sus nombres, la naturaleza de estos dos componentes del contenido de energía / materia del Universo aún no está clara y representa uno de los desafíos más importantes para los físicos de partículas. En esta Tesis nos hemos centrado en el estudio de la fenomenología de uno de estos misteriosos componentes del Universo, la Materia Oscura. Aunque tenemos muchas evidencias de su existencia, este nuevo tipo de materia aún no ha sido detectada. Como consecuencia, el abanico de modelos que pueden explicar las propiedades de la Materia Oscura es enorme. En el presente trabajo proponemos y estudiamos varios modelos de Materia Oscura, estableciendo límites mediante el uso de resultados experimentales. Esta tesis está organizada en tres partes: introducción (Parte I), investigación científica (Parte II) y Resumen (Parte III). Primero, en la Parte I proporcionamos una descripción general del estado actual de la física de la Materia Oscura: el Capítulo 1 explica las propiedades fundamentales del Modelo Estándar, mostrando sus diferentes problemas abiertos. En el Capítulo 2 revisamos el modelo cosmológico estándar ΛCDM. El capítulo 3 resume las propiedades y evidencias fundamentales de la Materia Oscura. El Capítulo 4 trata sobre las herramientas necesarias para comprender la evolución térmica de las “reliquias” frías, que juegan un papel central en esta Tesis. En el capítulo 5 revisamos el panorama experimental de la Materia Oscura, centrándonos en la Detección Directa y la Detección Indirecta. El capítulo 6 analiza las herramientas fundamentales para comprender los modelos extra dimensionales. Para concluir, en el Capítulo 7 resumimos los resultados más importantes de las publicaciones que componen esta Tesis. En la parte II se presenta una colección completa de los artículos que componen esta Tesis. Dicha colección consta, en total, de 4 publicaciones. En ellas se aborda el estudio de diferentes modelos que intentan explicar la actual abundancia de Materia Oscura. En el primer artículo se realiza un profundo estudio sobre la Detección Indirecta en el modelo “Sterile neutrino portal”, el cual trata de dar solución al problema de la masa de neutrinos y de la Materia Oscura al mismo tiempo. En los tres artículos siguientes se estudia la posibilidad de que la Materia Oscura únicamente sufra interacción gravitatoria. Generar la abundancia actual de Materia Oscura bajo este supuesto es difícil, por este motivo hemos explorado diferentes modelos de dimensiones extra, los cuales se explican detalladamente en esta colección de artículos. Finalmente, la Parte III consiste en un resumen de la Tesis en español. Este resumen está compuesto por dos partes. En la primera parte se explican de forma general las características, evidencias, etc. de la Materia Oscura, mientras que en la segunda parte se resumen los artículos que componen la presente Tesis. The Standard Model of Fundamental Interactions (SM) represents one of the most precise theories in physics. Among the predictions of the SM we find, for instance, the anomalous magnetic moment of the electron a_e = 0.001159652181643(764). This prediction agrees with the experimental results to more than ten significant digits, the most accurate prediction in the history of physics. However, nowadays we have several evidences that the SM only explains 5% of the matter content of the Universe. The other 95% are composed by the so-called Dark Energy and Dark Matter. As their names suggest, the nature of these two components of the energy/matter content of the Universe is still unclear and represents one of the most important challenges for the particle physicists. In this Thesis we have focused in the study of the phenomenology of one of these mysterious components of the Universe, the Dark Matter. Although we have many evidences of its existence, this new type of matter has not been detected yet. As a consequence, the landscape of the models that can explain the Dark Matter properties is huge. In the present work we propose and study several Dark Matter models, setting limits by using experimental results. This Thesis is organized in three parts: introduction (Part I), scientific research (Part II) and Summary (Part III). First, in Part I we provide an overview of the current status of the Dark Matter physics: Chapter 1 explains the fundamental properties of the Standard Model, showing its different open problems. In Chapter 2 we review the standard cosmological model ΛCDM. Chapter 3 summarizes the fundamental properties and evidences of Dark Matter. Chapter 4 deals with the tools needed to understand the thermal evolution of cold relics, which plays a central role in this Thesis. In Chapter 5 we review the Dark Matter experimental landscape, focusing in Direct Detection and Indirect Detection. Chapter 6 discusses the fundamental tools to understand extra-dimensional models. To conclude, in Chapter 7 we summarize the most important results of the publications that compose this Thesis. In Part II a complete collection of the papers that make up this Thesis is presented. This collection consists, in total, of 4 papers. They address the study of different models that try to explain the current abundance of dark matter. In the first paper, a deep study is carried out on Indirect Detection in the “Sterile neutrino portal” model, which tries to solve the problem of neutrino mass and Dark Matter at the same time. The following three publications study the possibility that Dark Matter only interacts gravitationally. Generating the current abundance of Dark Matter under this assumption is not an easy task, for this reason we have explored different models of extra-dimensions, which are explained in detail in this collection of papers. Finally, Part III consists of a summary of the Thesis in Spanish. This summary is made up of two parts: the first part explains in a general way the characteristics, evidence, etc. of Dark Matter, while the second part summarizes the papers that make up this Thesis.

Grado en 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 cota se vuelve menos restrictiva, obteniéndose un valor de dicha fracción del orden de fPBH ≈ 10⁻³ en un rango de masas [10⁰, 10²] M .

Durante las últimas décadas, nuestra comprensión del universo ha alcanzado un nivel remarcable, pudiendo probar predicciones cosmológicas con una precisión asombrosa. Las observaciones de los fotones del Fondo Cósmico de Microondas, junto con los estudios de catálogos galaxias, nos proporcionan una comprensión profunda de la geometría, los componentes y la cronología del cosmos. No obstante, la naturaleza de la Materia Oscura aún se desconoce. La composición, masa e interacciones de las partículas de Materia Oscura presentan uno de los enigmas más intrigantes de la cosmología actual. En esta tesis doctoral se estudian diferentes candidatos a Materia Oscura que pueden dejar un impacto en el proceso de formación de estructuras y en la evolución del Medio Intergaláctico. El análisis del estado de ionización del Medio Intergaláctico, su impacto en el Fondo Cósmico de Microondas y la señal cosmológica corrida al rojo de 21 cm, pueden proporcionar información reveladora sobre las propiedades de la Materia Oscura. Esta tesis está organizada en tres partes. La Parte I está dedicada a una amplia introducción a los fundamentos que describen los temas considerados. Los conceptos básicos del paradigma cosmológico estándar, el universo Lambda-CDM, y un esbozo de la cronología cósmica se presentan en el Capítulo 1. El Capítulo 2 repasa el progreso histórico de las evidencias de la Materia Oscura, seguido de una discusión sobre el estado y la cuestiones del paradigma de la Materia Oscura Fría. Posteriormente se examinan dos escenarios alternativos de Materia Oscura no estándar: Materia Oscura Templada, con partículas con masas del orden del keV, y Materia Oscura Interactiva, donde las partículas de Materia Oscura interactúan a través de la dispersión elástica con fotones. Los efectos físicos, las motivaciones y las restricciones actuales de estos escenarios se estudian en detalle. El Capítulo 3 considera los Agujeros Negros Primordiales como otro candidato de Materia Oscura, repasando su mecanismo de formación, propiedades físicas y límites actuales en su abundancia. Se discuten ampliamente dos efectos principales: el acrecimiento de materia circundante y el incremento de las fluctuaciones a pequeña escala debido al ruido de Poisson, los cuales podrían dejar un impacto observacional en el Medio Intergaláctico. Los fundamentos de la señal cosmológica de 21 cm se revisan en el Capítulo 4, proporcionando las principales derivaciones a partir de un tratamiento de transferencia radiativa, resumiendo los procesos principales que pueden excitar y desexcitar átomos a través de la transición hiperfina en el hidrógeno, y discutiendo los detalles de sus fluctuaciones espaciales a través del espectro de potencias. También se examinan los diferentes métodos de observación por interferometría y experimentos de una única antena, el estado experimental actual y las perspectivas para la detección de la señal de 21 cm con futuros interferómetros. Finalmente, el Capítulo 5 está dedicado al tratamiento del Medio Intergaláctico y la evolución de su estado térmico y de ionización. Se discute el estudio de la Reionización en marcos globales y no homogéneos, así como los límites actuales sobre la evolución de la fracción ionizada por diferentes métodos. Se examinan los canales de enfriamiento y calentamiento relevantes en el medio neutro, junto con la evolución del flujo Lyman-alfa, finalizando con un bosquejo de las diferentes fases evolutivas del universo que se pueden estudiar mediante el estudio de la línea de 21 cm. La Parte II incluye siete artículos científicos originales publicados durante el desarrollo del doctorado, que constituyen el trabajo principal de esta tesis. Finalmente, la Parte III contiene un resumen de los principales resultados en castellano. During the last decades, our understanding of the universe has reached a remarkable level, being able to test cosmological predictions with an astonishing precision. Observations of relic photons of the Cosmic Microwave Background, together with galaxy surveys, provide us with a deep comprehension of the geometry, components and chronology of the cosmos. Nonetheless, the nature of the Dark Matter still remains unknown. The composition, mass and interactions of Dark Matter particles present one of the most intriguing conundrums in current cosmology. In this doctoral thesis, signatures of Dark Matter candidates which can leave an impact on the process of formation of structures and on the evolution of the Intergalactic Medium are studied. The analysis of the state of ionization of the Intergalactic Medium, its impact on the Cosmic Microwave Background, and the 21 cm redshifted cosmological signal, can provide insightful information regarding the properties of the Dark Matter. This thesis is organized in three parts. Part I is devoted to a broad introduction to the fundamentals describing the state of the art of the topics considered. The basics of the standard cosmological paradigm, the Lambda-CDM universe, and a sketch of the cosmic timeline is presented in Chapter 1. Chapter 2 overviews the historical progress of evidences of Dark Matter, followed by a discussion of the status and small-scale issues of the Cold Dark Matter paradigm. Two alternative non-standard Dark Matter scenarios are then examined: Warm Dark Matter, whose particles with masses of the order of keV present free streaming, and Interacting Dark Matter, where Dark Matter particles interact via elastic scattering with photons, producing collisional damping. The physical effects, motivations and current constraints of these Dark Matter scenarios are studied in detail. Chapter 3 considers Primordial Black Holes as another Dark Matter candidate, overviewing their formation mechanism, physical properties and current constraints on their abundance. Two main effects are widely discussed: accretion of surrounding matter and the enhancement of small-scale fluctuations due to the Poisson shot noise, both of which could leave an observational impact in the Intergalactic Medium. The fundamentals of the 21 cm cosmological signal are reviewed in Chapter 4, providing the main derivations from a radiative transfer treatment, summarizing the main processes which can excite and de-excite atoms via the hyperfine transition in Hydrogen, and discussing the details of its spatial fluctuations via the power spectrum. The different observational tests by interferometry and single-dish experiments, current experimental status and prospects for the detection of the 21 cm signal with future interferometers are also examined. Finally, Chapter 5 is dedicated to the treatment of the Intergalactic Medium and the evolution of its ionization and thermal state. The study of Reionization in global and inhomogeneous frameworks are discussed, as well as the current bounds on the evolution of the ionized fraction by different probes. The relevant cooling and heating channels in the neutral medium, together with the evolution of the Lyman-alpha flux are examined, finishing with a sketch of the different evolutionary phases of the universe that can be traced by studying the 21 cm line. Part II includes seven original scientific articles published during the development of the PhD, which constitute the main work of this thesis. Finally, Part III contains a summary of the main results in Spanish.