Estudio de modelos de materia oscura leptónica fría y sus efectos en escenarios de interés cosmológico

Abstract

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.