Modelos viáveis de matéria escura em física de partículas

Abstract

Atualmente, há uma quantidade contundente de diversas evidências experimentais de que o Universo contém muito mais matéria do que aquela que pode ser detectada via interação eletromagnética: denomina-se criativamente matéria escura essa exótica forma de matéria que não interage com luz. A identidade de matéria escura é um dos principais problemas abertos em Física e sua relevância se justifica devido a importantes implicações em diferentes ramos da Física. Por exemplo, em Cosmologia, matéria escura desempenha um papel fundamental na estrutura e evolução da formação do Universo. Do ponto de vista de Física de Partículas, a investigação de matéria escura pode fornecer evidência empírica para a descoberta de um novo tipo de partícula. É nesse espírito que este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de entender como o estudo de matéria escura relaciona diferentes áreas da Física. Em especial, buscou-se entender o que constitui um modelo viável em Física de Partículas para matéria escura e como ele se relaciona com evidências experimentais cosmológicas. Particularmente, foi estudado com mais detalhes uma das partículas candidatas favoritas a matéria escura, os WIMPs, partículas massivas com interação fraca que inicialmente se encontravam em equilíbrio térmico com o plasma primordial, mas depois passaram por um processo de freeze out. Para isso, focamos em um modelo em Física de Partículas que fornece um candidato natural a WIMP, o MSSM, uma extensão supersimétrica do Modelo Padrão. Graças à implementação do código micrOmegas, foi possível obter, numericamente, observáveis de matéria escura a partir da escolha do modelo e comparar com evidências observacionais de experimentos como o WMAP, PLANCK, entre outros.

Nowadays there is an overwhelming amount of experimental evidence that there is much more matter in the Universe that what can be detected via electromagnetic interactions: we called dark matter this exotic form of matter that does not interact with light. The identity of dark matter is still one of the main open issues in modern Physics and its relevance is due to its profound implications in several branches of Physics. For instance, in Cosmology dark matter plays a fundamental role in structure formation and in the evolution of the Universe. From a Particle Physics perspective, the study of dark matter may lead to experimental evidence of a new type of particle. To this extent, this work has been developed with the main goal of understanding how the study of dark matter connects different branches of Physics. Specifically, we sought to comprehend what constitutes a viable model in Particle Physics for a dark matter description and how does it relates to cosmological empirical evidences. In particular, one of the main dark matter particle candidates has been studied in more detail: the WIMPs, weakly interactive massive particles that were once in thermal equilibrium with the primordial plasma, but have frozen out at some point. In order to achieve that, we focused in a Particle Physics model that gives a natural candidate for a WIMP, the MSSM, a supersymmetric extension of the Standard Model. Thanks to the software micrOmegas, it was possible to obtain numerically dark matter observables from the specification of our model and compare them with empirical evidence of experiments such as the WMAP and PLANCK surveys.