Dépôt Institutionnel de l’Université libre de Bruxelles / Université libre de Bruxelles Institutional Repository Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA: Lopez Honorez, L. (2007). Dark matter: signs and genesis (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Faculté des Sciences – Physique, Bruxelles. Disponible à / Available at permalink : https://dipot.ulb.ac.be/dspace/bitstream/2013/210692/4/e07112e3-d12a-4be1-a0c8-2707de442dbb.txt (English version below) Cette thèse de doctorat a été numérisée par l’Université libre de Bruxelles. L’auteur qui s’opposerait à sa mise en ligne dans DI-fusion est invité à prendre contact avec l’Université ([email protected]). Dans le cas où une version électronique native de la thèse existe, l’Université ne peut garantir que la présente version numérisée soit identique à la version électronique native, ni qu’elle soit la version officielle définitive de la thèse. DI-fusion, le Dépôt Institutionnel de l’Université libre de Bruxelles, recueille la production scientifique de l’Université, mise à disposition en libre accès autant que possible. Les œuvres accessibles dans DI-fusion sont protégées par la législation belge relative aux droits d'auteur et aux droits voisins. Toute personne peut, sans avoir à demander l’autorisation de l’auteur ou de l’ayant-droit, à des fins d’usage privé ou à des fins d’illustration de l’enseignement ou de recherche scientifique, dans la mesure justifiée par le but non lucratif poursuivi, lire, télécharger ou reproduire sur papier ou sur tout autre support, les articles ou des fragments d’autres œuvres, disponibles dans DI-fusion, pour autant que : - Le nom des auteurs, le titre et la référence bibliographique complète soient cités; - L’identifiant unique attribué aux métadonnées dans DI-fusion (permalink) soit indiqué; - Le contenu ne soit pas modifié. L’œuvre ne peut être stockée dans une autre base de données dans le but d’y donner accès ; l’identifiant unique (permalink) indiqué ci-dessus doit toujours être utilisé pour donner accès à l’œuvre. Toute autre utilisation non mentionnée ci-dessus nécessite l’autorisation de l’auteur de l’œuvre ou de l’ayant droit. ------------------------------------------------------ English Version ------------------------------------------------------------------- This Ph.D. thesis has been digitized by Université libre de Bruxelles. The author who would disagree on its online availability in DI-fusion is invited to contact the University ([email protected]). If a native electronic version of the thesis exists, the University can guarantee neither that the present digitized version is identical to the native electronic version, nor that it is the definitive official version of the thesis. DI-fusion is the Institutional Repository of Université libre de Bruxelles; it collects the research output of the University, available on open access as much as possible. The works included in DI-fusion are protected by the Belgian legislation relating to authors’ rights and neighbouring rights. Any user may, without prior permission from the authors or copyright owners, for private usage or for educational or scientific research purposes, to the extent justified by the non-profit activity, read, download or reproduce on paper or on any other media, the articles or fragments of other works, available in DI-fusion, provided: - The authors, title and full bibliographic details are credited in any copy; - The unique identifier (permalink) for the original metadata page in DI-fusion is indicated; - The content is not changed in any way. It is not permitted to store the work in another database in order to provide access to it; the unique identifier (permalink) indicated above must always be used to provide access to the work. Any other use not mentioned above requires the authors’ or copyright owners’ permission. D 03486 Université Libre de Bruxelles Faculté des Science Service de Physique Théorique Dark Matter SiGNS AND GENESIS Thèse présentée en vue de l’obtention du Grade Légal de Docteur en Sciences Physique Laura Lopez Honorez Mai 2007 Université Libre de Bruxelleb 0033BB021 Université Libre de Bruxelles Faculté des Science Service de Physique Théorique Dark Matter SiGNS AND GENESIS Thèse présentée en vue de l’obtention du Grade Légal de Docteur en Sciences Physique Laura LoPEZ Honorez Mai 2007 1 Contents Table of contents iii Abbreviation List v Introduction 4 1 Dark matter tools 5 1.1 Friedman-Lemaître-Robertson-Walker model .................................................. 5 1.2 The evidence for dark matter............................................................................. 7 1.3 Thermodynamics in the Early universe.............................................................. 9 1.3.1 Boltzmann équations................................................................................. 10 1.3.2 Annihilations and relie abundance: approximate solution ................. 12 1.3.3 Coannihilation.......................................................................................... 15 1.4 History of the universe.......................................................................................... 17 1.4.1 Thermal History of the universe.............................................................. 17 1.4.2 Add-on to Big Bang Cosmology; Baryogenesis...................................... 25 2 Constraints on dark matter and some particle physics candidates 31 2.1 Constraints from Direct and Indirect détection ............................................... 31 2.1.1 Direct Détection....................................................................................... 32 2.1.2 Indirect détection....................................................................................... 34 2.2 Constraint from unitarity .................................................................................... 36 2.3 Hot and Cold dark matter: distinction from structure formation................... 38 2.3.1 Jeans length and free streaming length.................................................. 38 2.3.2 The power spectrum................................................................................. 40 2.3.3 The “Standard Model” neutrino: a hot dark matter candidate .... 42 2.3.4 The WIMPs from the MSSM: popular cold dark matter candidates 44 3 The Inert Doublet Model 47 3.1 The model................................................................................................................ 49 3.1.1 Scalar potential ....................................................................................... 49 3.1.2 Constraints................................................................................................ 50 3.2 Dark Matter abundance....................................................................................... 51 3.3 Inert scalars détection.......................................................................................... 53 3.3.1 Indirect détection....................................................................................... 53 3.3.2 Direct détection.......................................................................................... 54 3.3.3 Détection at colliders ?.............................................................................. 55 3.4 Analysis of the IDM............................................................................................. 56 CONTENTS 3.4.1 Low mass régime, Mhq around Mw .................................................... 57 3.4.2 The high mass régime, Mfj » Mw....................................................... 60 3.5 Concluding discussion on the IDM.................................................................. 63 4 MeV right-handed neutrîno as dark matter 69 4.1 The L-R symmetric model ................................................................................ 70 4.2 Constraints............................................................................................................ 73 4.2.1 Stability of the right-handed neutrinos................................................. 74 4.2.2 Constraint on the decay rate from INTEGRAL and COMPTEE ... 75 4.2.3 Constraints from neutrino experiments................................................. 77 4.3 Cosmological abundance ; low reheating température scénario..................... 79 4.4 The link with Intégral ?...................................................................................... 82 4.4.1 The 511 keV signal ................................................................................ 82 4.4.2 Light dark matter annihilation as a source for positrons.................. 84 4.4.3 The MeV right-handed neutrino at the origin of the 511 keV signal? 86 4.5 Concluding discussion on MeV right handed neutrino .................................. 87 5 Matter Genesis Mechanism 89 5.1 The Model............................................................................................................... 90 5.1.1 Symmetry breaking and Residual Z2 symmetry.................................. 91 5.1.2 Fermion masses......................................................................................... 92 5.1.3 Gauge boson masses................................................................................ 93 5.2 The Matter Genesis mechanism.......................................................................... 93 5.2.1 Initial B-L asymmetry............................................................................. 94 5.2.2 Annihilation of the messengers and first