Gravitational Interactions in Dark Matter Models

Resumen

El modelo cosmológico estándar incluye un sector oscuro para poder explicar las observaciones. Este sector incluye todos los constituyentes del universo no descritos por el modelo estándar de física de partículas, cuya presencia solo se infiere mediante interacciones gravitacionales. Actualmente, el modelo más aceptado incluye una constante cosmológica para explicar la expansión acelerada tardía del universo y materia oscura fría para explicar la dinámica del universo. Estas dos componentes, junto con los campos ya conocidos, constituyen el modelo cosmológico estándar, que ajusta con éxito un gran número de observaciones cosmológicas a diferentes escalas. Sin embargo, muy poco se conoce de las propiedades fundamentales de este sector oscuro. En particular, en esta tesis estudiaremos dos aspectos relacionados con la materia oscura: Construcción de modelos: la falta de datos experimentales sobre las propiedades fundamentales de la materia oscura deja mucho margen para la especulación teórica sobre posibles modelos. En esta tesis exploramos cómo construir modelos para campos escalares y vectoriales que se acoplan consistentemente al tensor de energía-momento, en analogía con la teoría para el gravitón de Fierz-Pauli. La construcción de estos modelos parte de introducir un acoplo directo al tensor de energía-momento a nivel lineal en la acción del campo. Esta interacción produce correcciones en el tensor de energía-momento que deben ser tenidas en cuenta en la acción. De esta forma, cada nueva corrección de la acción introduce cambios en el tensor que deben ser incorporados. La suma de estas infinitas correcciones da lugar a una acción no lineal que obtenemos mediante la imposición de condiciones de consistencia entre el modelo lineal y la acción no lineal resultante. Este procedimiento convierte la suma de una serie infinita en la resolución de un sistema de ecuaciones diferenciales o incluso algebraicas, dependiendo del caso particular. Asimismo, hemos estudiado el impacto de posibles términos superpotenciales que provienen de las ambigüedades en la definición del tensor de energía-momento.. Por otro lado, discutimos la fenomenología asociada a estos modelos y sus posibles señales experimentales. ¿Cómo se puede haber producido?: debido a lo débilmente que interacciona la materia oscura con los campos del modelo estándar de la física de partículas, una pregunta que surge de manera natural es cómo se puede haber producido la abundancia de materia oscura que observamos. En esta tesis investigamos si la producción gravitacional en las fases tempranas del universo es suficiente para dar lugar a la abundancia necesaria para explicar las observaciones y, en caso afirmativo, extraemos cotas sobre sus propiedades fundamentales exigiendo que no dé lugar a un exceso de producción. En particular, estudiamos la producción de partículas para un campo escalar acoplado a la curvatura de forma no mínima, teniendo en cuenta las oscilaciones de la curvatura escalar debidas a la dinámica del inflatón durante el recalentamiento. Estas oscilaciones inducen diferentes mecanismos que amplifican la producción de partículas con respecto a haber considerado el comportamiento promedio de la curvatura. Comparando la abundancia predicha por el modelo con las observaciones, vemos que la masa de la materia oscura está acotada, con un rango de masas intermedias prohibido. Por otro lado, también estudiamos el efecto de considerar acoplos derivativos del campo a la geometría de fondo en la producción de partículas. En este caso, consideramos el comportamiento promedio de la geometría. Vemos que la producción gravitacional depende apreciablemente del valor de las constantes de acoplo, incluso quedándonos en el régimen perturbativo, por lo que un estudio pormenorizado de estos acoplos tiene que llevarse a cabo para poder extraer conclusiones precisas sobre los parámetros fundamentales de la materia oscura a partir de la producción gravitacional.