Cosmological Constraints on Higgs Portal Dark Matter

Cosmic inflation, an era of rapid expansion in the early universe, and dark matter, an unknown non-baryonic matter component exceeding the amount of the usual baryonic matter by a factor of five, are known to play an important role in describing the physics of the early universe and in explaining the contents of the universe we observe today. Yet the reason for the occurrence of inflation and for the production of dark matter, or their properties, are not known. In this thesis we study the observational consequences of a class of particle physics models related to inflation and dark matter which are challenging to test by direct experiments, such as particle colliders, but which can be tested by cosmological and astrophysical observations. In particular, we concentrate on observational properties of self-interacting Higgs portal dark matter. Whenever a model contains scalar fields which are light and energetically subdominant during cosmic inflation, so-called spectator fields , they acquire large fluctuations which may leave observable imprints on the Cosmic Microwave Background radiation. Carefully investigating the spectator field dynamics during cosmic inflation, we solve for typical initial conditions for post-inflationary dynamics and calculate the dark matter yield originating from non-thermal decay of spectator condensates. As a result, we find a novel connection between the energy scale of inflation and the dark matter abundance. We also study alternative thermal histories of hidden sector dark matter and demonstrate how the usual dark matter production mechanisms may not be sufficient to correctly describe the evolution of dark matter relic density from its generation to the present day. We show that even if the coupling between the hidden and visible sectors is almost negligible, the scenario has observable consequences. Especially a positive observation of primordial tensor perturbations would immensely affect not only models of inflation but also very w
Suurin osa maailmankaikkeuden aineesta on meille tuntematonta pimeää ainetta. Pimeää ainetta on vuosikymmeniä yritetty etsiä hiukkaskiihdyttimillä ja erilaisilla hiukkasilmaisimilla, mutta toistaiseksi tuloksetta. Kosmologiset havainnot maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenteesta ja kosmisesta mikroaaltotaustasäteilystä kuitenkin puoltavat voimakkaasti pimeän aineen olemassa oloa. Tässä väitöstyössä tutkitaan sellaisia hiukkasfysikaalisia malleja, jotka selittävät, miksi pimeää ainetta ei ole vielä löytynyt. Näissä malleissa pimeä aine elää varjomaailmankaikkeudessa, joka tuntee tavallisen aineen olemassa olon vain vuonna 2012 löytyneen Higgsin bosonin kautta. Tämä kytkentä tavallisen ja pimeän aineen välillä on hyvin heikko, mikä selittää, miksei pimeää ainetta nähdä hiukkaskiihdyttimissä. Yhdistämällä hiukkasfysiikan, kosmologian ja tähtitieteen havaintoja näiden varjomaailmankaikkeudessa elävien pimeän aineen hiukkasten ominaisuuksia voidaan kuitenkin voimakkaasti rajoittaa. Erityisesti työssä esitellään uusi yhteys heikosti vuorovaikuttavan pimeän aineen ja varhaisen maailmankaikkeuden nopean laajenemisvaiheen, kosmisen inflaation, välille. Väitöstyössä myös näytetään, miten aiemmat teoreettiset mallit hyvin heikosti vuorovaikuttavan pimeän aineen syntymekanismille ovat puutteellisia ja kuinka ne tulee korjata tavalla, joka myös mahdollistaa tällaisten mallien kokeellisen testaamisen tulevaisuudessa.