Dark Matter Indirect Detection and Collider Search: the Good and the Bad

In this work I aim to point out some theoretical issues and caveats in DM search. In the first chapters I review the evidence for DM existence, the DM candidates and the different kinds of DM experimental search. The bulk of the work investigates three different topics. In the first topic, concerning neutrino from the Sun, I show the fact that evaporation does not allow to probe part of the parameter space, in the low mass range. In the second one, I show that, like in the case of the detected positron excess, that could be explained both by DM or by astrophysical source, even a possible excess of antiprotons could suffer from the same kind of degeneracy. In the third part, I consider DM search at collider. I point out some problems about using the EFT low-energy approximation at LHC, arising from the fact that the experimental bounds and the average energy of collisions at LHC are of the same order of magnitude. Afterward, to take this fact into account, I propose a method to rescale experimental bounds, and I review an alternative way of analyzing experimental results, that is using Simplified Models. Finally, I also show which is the part of the parameter space for both Simplified Models and EFT giving the DM the right relic abundance, in the case of thermal freeze-out

Capture of Dark Matter in Neutron Stars

The extreme conditions in Neutron Stars make them ideal test facilities for fundamental interactions. A Neutron Star can capture Dark Matter via scattering. As a result of the scattering, Dark Matter kinetic energy is transferred to the star. An observational consequence of this can be the warming of old neutron stars to near-infrared temperatures. Different approximations or simplifications have been applied to previous analyses of the capture process. In this article, we summarise a significantly improved treatment of Dark Matter capture, which properly accounts for all relevant physical effects over a wide range of Dark Matter masses. Among them are gravitational focusing, a fully relativistic scattering treatment, Pauli blocking, neutron star opacity and multiple scattering effects. This paper cites general expressions that allow the capture rate to be computed numerically, and simplified expressions for particular types of interactions or mass regimes, which greatly increase the efficiency of computation. As a result of our method, we are able to model the scattering of Dark Matter from any neutron star constituent as well as the capture of Dark Matter in other compact objects. Our results are applied to scattering of Dark Matter from neutrons, protons, leptons and exotic baryons.Comment: 6 pages, 2 figure

Capture of Leptophilic Dark Matter in Neutron Stars

Dark matter particles will be captured in neutron stars if they undergo scattering interactions with nucleons or leptons. These collisions transfer the dark matter kinetic energy to the star, resulting in appreciable heating that is potentially observable by forthcoming infrared telescopes. While previous work considered scattering only on nucleons, neutron stars contain small abundances of other particle species, including electrons and muons. We perform a detailed analysis of the neutron star kinetic heating constraints on leptophilic dark matter. We also estimate the size of loop induced couplings to quarks, arising from the exchange of photons and Z bosons. Despite having relatively small lepton abundances, we find that an observation of an old, cold, neutron star would provide very strong limits on dark matter interactions with leptons, with the greatest reach arising from scattering off muons. The projected sensitivity is orders of magnitude more powerful than current dark matter-electron scattering bounds from terrestrial direct detection experiments.Comment: 26 pages, 8 figures, 3 tables, 2 appendices. Discussion extended, references added, matches JCAP published versio

LHC BOUNDS ON LARGE EXTRA DIMENSIONS

0 Premesse: Viene spiegata la notazione usata, le unità naturali ed elencati i fattori di conversione utili 1.1 Hierarchy Problem Si introduce brevemente lo Hierarchy problem: si parla della scala di Plank, i problema della massa del bosone di Higgs che risulta molto diversa dall’energia di Plank, il possibile legame fra l’energia di punto 0 dei modi di oscillazione dei campi bosonici e fermionici e la costante cosmologica, per passare infine a mostrare molto brevemente come alcune teorie, in particolare la supersimmetria e il modello ADD, cerchino di risolvere tali problemi. Si discute il perché dimensioni aggiuntive, se esistono, devono essere compatte e si calcola una stima del raggio di tali dimensioni aggiuntive. 2.1 Modello Standard e la Lagrangiana di Yang-Mills Viene descritto il Modello Standard delle interazioni elettrodeboli e forti, definiti i campi bosonici, i campi fermionici, il campo di Higgs, vengono esposti i gruppi di simmetria e la classificazione delle particelle, mostrate le condizioni di unificazione della forza elettromagnetica con quella debole, come i bosoni W e Z possono acquistare massa mantenendo l’invarianza di gauge grazie al bosone di Higgs, si parla degli accoppiamenti fermioni-Higgs e delle matrici di massa per leptoni e quark. Per i quark si espone la matrice CKM, per i leptoni si parla brevemente del tipo di accoppiamento dei neutrini a seconda della natura di tali particelle, e della possibilità di esistenza di una base di autostati di massa e flavour contemporaneamente. 2.2 Regole di Feynman per il Modello Standard Si spiega il problema del ricavare i propagatori in teorie di gauge con una invarianza di gauge, e si passa quindi ad elencare i risultati, che si ottengono con il metodo dell’aggiunta dei campi ausiliari e di ghost. Si spiega infine come si ricavano le regole per i vertici di integrazione a livello ad albero, e vengono elencati quelli che verranno utilizzati nel corso dell’elaborato. 2.3 Running Coupling Constant Viene spiegato il fenomeno della running coupling constant, non trascurabile nel caso dell’interazione forte, e mostrati alcuni dei diagrammi che contribuiscono al fenomeno, per passare poi a calcolare la running coupling constant usando risultati noti. 2.4 Cinematica dei processi due corpi->due corpi Vengono elencati i gradi di libertà del processo, spiegato come descriverli usando le variabili di Mandelstam, ottenendo così espressioni alternative per la sezione d’urto. Si danno inoltre le definizioni di canale s,t,u per i processi a due corpi. 2.5 Calcolo delle sezioni d’urto dei processi elementari fra partoni Si elencano i diagrammi di Feynman e le sezioni d’urto per vari tipi di processi partonici elementari. 2.6 Deep Inelastic Scattering Viene introdotto il Deep Inelastic Scattering con l’esempio e^- p→e^- X, nonché le variabili Q^2 e ν, le funzioni di distribuzione partoniche e viene calcola la sezione d’urto per il processo di esempio. Si tratta anche lo scaling di Bjorken e di come questo sia, in effetti, violato, anche se debolmente. 2.7 Parton Distribution Functions Viene mostrato un plot delle distribuzioni per un valore di Q fissato ed elencate le condizioni di normalizzazione che debbono valere. 2.8 Processi Protone Protone Si passa poi a parlare dei processi di scattering fra 2 protoni, in particolare di come calcolare la sezione d’urto totale per processi a due jet. 3.1 Equazione di Einstein L’equazione di Einstein viene scritta per un universo con le extra-dimensioni e si trova uno sviluppo in modi di Fourier detti modi Kaluza Klein. Si analizzano i campi originali, le loro proprietà di simmetria e di trasformazione, identificando così i campi non fisici e il contenuto in particelle dei campi fisici. Si parla delle proprietà presunte di queste particelle, e si identificano quelle che a noi interessano in quanto interagiscono con la materia ordinaria anche nel limite di campo debole. 3.2 Lagrangiana Gravitazionale Viene riportata la Lagrangiana da cui deriva l’equazione di Einstein per l’universo con le extra dimensioni, semplificandola col portarla in forma quadri-dimensionale. 3.3 regole di Feynman Sono qui descritte alcune delle regole di Feynman che derivano dalla lagrangiana scritta nel paragrafo precedente 3.4 Real Graviton production Si analizza il processo di produzione di un gravitone. Si trova lo shift in massa fra tali modi, vengono elencati i processi ed i relativi diagrammi di Feynman a livello ad albero, nonché le relative sezioni d’urto. 3.5 Virtual Graviton Exchange. Analizzo ora come la possibilità che i vari processi partonici che abbiamo considerato nel capitolo precedente abbiano ulteriori grafici di Feynman quelli dovuto allo scambio di un gravitone virtuale, e di come ciò modificherebbe la loro sezione d’urto. 4.1 Parametri di LHC Si elencano le principali caratteristiche di LHC, quali energia del centro di massa, luminosità, frequenza, numero di particelle per buntch e raggio dell’anello. Si spiega brevemente il significato di tali parametri. 4.2 Cinematica nei Collider Adronici Qui si spiega la differenza fra il centro di massa adronico e partonico, e si trova la relazione fra i due sistemi, vengono definite nuove variabili utili per l’integrazione della sezione d’urto. Si elenca e si spiega brevemente il significato delle principali variabili sperimentali, quali rapidità, pseudorapidità, momento trasverso, angolo azimutale e separazione dei jet nel piano η,ϕ, sulle quali vengono imposti tagli sperimentali. 4.3 Schema della macchina Viene spiegato brevemente il sistema di rilevazione ed identificazione delle varie particelle, e di come si possa misurare alcune loro caratteristiche. Si spiega, inoltre, come al variare della particella, la rilevazione è diretta o indiretta. Si elencano i principali sistemi di misura indiretta. Si spiega infine la necessità di un sistema di triggering. 4.4 tagli sperimentali Viene fatto l’elenco dei tagli sperimentali per i dati di LHC con cui confronteremo le nostre simulazioni numeriche. 5.1 Metodo Montecarlo per l’integrazione Introduzione all’integrazione numerica, e quindi al metodo MonteCarlo. Differenze e caratteristiche comuni dei due metodi. Descrizione di due metodi di MonteCarlo: Sampling Method e Hit and Miss method. Si discute brevemente la precisione di questi due sistemi di integrazione, e dei possibili problemi che possono sorgere, suggerendo infine alcuni metodi per aggirare questi possibili problemi. 5.2 Implementazione in Mathematica Viene descritta l’implementazione in Mathematica del metodo di integrazione MC hit and miss per il calcolo numerico delle sezioni d’urto partoniche elencate nei capitoli precedenti. 5.3 Controllo del funzionamento con il Modello Standard Esposizione dei risultati del programma nel calcolo delle sezioni d’urto del modello standard, e confronto con i risultati di altri programmi. 6 Risultati Vengono esposti quindi i risultati ottenuti dal confronto dei dati di LHC del 2010 (33〖pb〗^(-1) di luminosità integrata) e del 2011 (1〖fb〗^(-1) di luminosità integrata) con le simulazioni numeriche eseguite, e si trovano i limiti al di confidenza sui parametri del modello

Comparing 2HDM ++ Scalar and Pseudoscalar Simplified Models at LHC

In this work we compare the current experimental LHC limits of the 2HDM $+$ scalar and pseudoscalar for the $t \bar{t}$, mono-$Z$ and mono-$h$ signatures and forecast the reach of future LHC upgrades for the mono-$Z$ channel. Furthermore, we comment on the possibility, in case of a signal detection, to discriminate between the two models. The 2HDM+S and 2HDM+PS are two notable examples of the so-called next generation of Dark Matter Simplified Models. They allow for a renormalizable coupling of fermionic, Standard Model singlet, Dark Matter with a two Higgs doublet sector, through the mixing of the latter with a scalar or pseudoscalar singlet.Comment: 26 pages, 14 figure

Unitarisation of EFT Amplitudes for Dark Matter Searches at the LHC

We propose a new approach to the LHC dark matter search analysis within the effective field theory (EFT) framework by utilising the K-matrix unitarisation formalism. This approach provides a reasonable estimate of the dark matter production cross section at high energies, and hence allows reliable bounds to be placed on the cut-off scale of relevant operators without running into the problem of perturbative unitarity violation. We exemplify this procedure for the effective operator D5 in monojet dark matter searches in the collinear approximation. We compare our bounds to those obtained using the truncation method and identify a parameter region where the unitarisation prescription leads to more stringent bounds.Comment: 20 pages, 7 figures. References added and minor corrections made to match published versio