Sterile neutrinos from Singlet Scalar Decays

Totzauer, Maximilian (2017): Sterile neutrinos from Singlet Scalar Decays: a realistic non-thermal dark matter candidate. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

In der vorliegenden Dissertation untersuchen wir, wie der Zerfall skalarer Singuletts, die ihrerseits an den Higgs-Sektor koppeln, Dunkle Materie in der Form steriler Neutrinos im keV-Massenbereich erzeugen kann. Wir nutzen alle relevanten Observablen, um Beschränkungen an das Modell herzuleiten. Dabei richten wir ein besonderes Augenmerk auf die kosmische Strukturbildung. Wir betrachten das Modell auf der grundlegenden Ebene von Impulsverteilungsfunktionen, da die genaue spektrale Form es erlaubt, alle relevanten Details eines nicht-thermischen Produktionsmechanismus korrekt abzuleiten. Die Verteilungen werden numerisch berechnet und durch analytische Betrachtungen ergänzt. Letztere erleichtern das qualitative Verständnis der numerischen Ergebnisse und liefern zugleich einen Bezugspunkt, um die Qualität der Numerik zu beurteilen. Darüber hinaus überprüfen wir den Einfluss späterer Korrekturen auf das Spektrum, wie sie etwa durch den Dodelson-Widrow- Mechanismus hervorgerufen werden. Dazu entwickeln wir einen neuartigen semi-analytischen Ansatz. Dieser erlaubt es, zuverlässig zu entscheiden, wann die genannten Effekte tatsächlich zu vernachlässigen sind und wie man sie andernfalls korrekt berücksichtigt. Zudem beziehen wir die zeitliche Entwicklung des primordialen Hintergrund-Plasmas durch eine speziell entwickelte Variablentransformation in all unsere numerischen Berechnungen mit ein. Dieser Ansatz lässt sich auf ähnliche Fragestellungen verallgemeinern. Des Weiteren führen wir neue Methoden ein, um die Vereinbarkeit nicht thermischer Modelle für Dunkle Materie mit den kosmischen Strukturen zu überprüfen. Dazu analysieren wir das lineare Leistungsspektrum der Materie und vergleichen daraus abgeleitete Größen mit ihren experimentell beobachteten Gegenstücken. Konkret benutzen wir die Häufigkeit von (Satelliten-)Galaxien sowie Lyman- �-Daten. Auch diese Methoden sind gut auf ähnliche Konfigurationen übertragbar. Wir zeigen, dass die Produktion Dunkler Materie in der Form steriler Neutrinos im keV-Massenbereich durch den Zerfall skalarer Singuletts, die an den Higgs-Sektor koppeln, ein valides Modell darstellt. In großen Bereichen des Parameterraumes sind die Vorhersagen des Modells im Einklang mit allen relevanten Beobachtungen. Insbesondere erlaubt das Modell Parameterkonfigurationen in Bereichen relativ kleiner Massen des sterilen Neutrinos, welche in anderen Produktionsmechanismen nur schwer für diese Art Dunkler Materie realisierbar sind. Somit liefert das betrachtete Modell einen wichtigen Beitrag zum hochaktuellen Forschungsgebiet der Dunklen Materie. Die Methoden, die zu seiner Analyse entwickelt wurden, lassen sich gut auf weitere Modelle übertragen.

Abstract

In this thesis we investigate a mechanism in which keV-scale sterile neutrino dark matter is produced from the decays of scalar singlets coupled to the Higgs sector in the early universe. We derive all relevant constraints on this dark matter setup, putting our focus on the compatibility with cosmic structure formation. We work on the fundamental level of momentum distribution functions in order to capture all relevant details of this non-thermal production mechanism. The distributions are computed in a fully numerical way and supplemented with analytical methods easing the interpretation of the numerical results and helping to assess their reliability. In addition, we revisit the assumptions made about the additional effects of the Dodelson-Widrow mechanism on the distributions: we provide a novel semi-analytical approach to decide when the Dodelson-Widrow contribution is in fact negligible and how to correctly take it into account otherwise. The background evolution of the primordial plasma will be included in the numerical computations through a variable transformation developed for this very purpose. This technique can be applied to similar settings as well. Furthermore, we develop new methods for assessing structure formation for non-thermal dark matter candidates: we analyse the linear matter power spectrum and compare derived quantities to their observational counterparts inferred from Lyman-� data or from the count of (satellite) galaxies. These methods also carry over to other setups in a straightforward way. Taking into account all relevant observational constraints, we show that the decay of a scalar coupling to the Higgs sector is a viable production mechanism for sterile neutrino dark matter. It features a sizeable parameter space in agreement with all relevant observational limits. It especially favours setups in regions of low sterile neutrino masses, which are hard to accommodate in alternative production mechanisms for this kind of dark matter candidate. Thus, the model investigated is of great interest for the research field of dark matter, and it helps develop fairly universal methods applicable to other dark matter setups.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: dark matter, cosmology, sterile neutrinos, structure formation
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 28. Juli 2017
• 1. Bericht­erstatter:in: Raffelt, Georg