Sommerfeld Enhancement per il processo di annichilazione nel modello di Minimal Dark Matter

The evidence supporting the presence of Dark Matter in the Universe suggests the need to formulate new Physics beyond the Standard Model. The Minimal Dark Matter model proposes an extension of the Standard Model with the addition of the minimal content of new Physics: a WIMP that can be described in terms of the neutral component of a fermionic SU(2) quintuplet, the only one that is automatically stable on cosmological timescales. The only free parameter in this model is the mass of the Dark Matter particle. By considering co-annihilations among the various components of the multiplet in the primordial thermal bath, it is possible to evaluate the interaction rate in order to determine the instant of the freeze-out. After decoupling from the plasma, the relic abundance of the species is fixed and depends on the annihilation cross section, which must be corrected due to the Sommerfeld Enhancement: intuitively, this effect can be interpreted as a series of diagrams representing the exchange of vector bosons before the actual annihilation. The cross section will therefore be amplified, potentially by several orders of magnitude, depending on the mass and velocity of the colliding Dark Matter particles. In this thesis work, it was determined that in order to satisfy the observational constraints on the density parameter Ω = 0.1198, the Dark Matter particle must have a mass of approximately 5.5 TeV. For this mass value, it is also possible to evaluate the impact of the Sommerfeld Enhancement on processes relevant for the indirect detection of Dark Matter in the present Universe. From comparison with the limits set by measurements on dwarf spheroidal galaxies in the analyses by the Fermi-LAT and MAGIC telescopes, it follows that this model is not excluded, but rather testable with improved experimental sensitivity.

Le incontrovertibili misure che garantiscono la presenza di Materia Oscura nell’Universo suggeriscono la necessità di formulare una nuova Fisica oltre il Modello Standard. Il modello di Minimal Dark Matter propone l’estensione del Modello Standard con l’aggiunta del minimo contenuto di nuova Fisica, una WIMP descrivibile in termini della componente neutra di un quintupletto fermionico di SU(2), l’unico automaticamente stabile su scala cosmologica. Il solo parametro libero di tale modello è la massa della particella di Materia Oscura. Considerando le co-annichilazioni tra le varie componenti del multipletto nel bagno termico primordiale è possibile valutare il tasso di interazione al fine di stabilire l’istante del freeze-out. Dopo il disaccoppiamento dal plasma l’abbondanza fossile della specie è fissata e dipende dalla sezione d’urto di annichilazione, che deve essere corretta a causa del Sommerfeld Enhancement: intuitivamente, tale effetto è interpretabile come una serie di diagrammi che rappresentano lo scambio di bosoni mediatori prima dell’effettiva annichilazione. La sezione d’urto sarà quindi amplificata, potenzialmente anche di diversi ordini di grandezza a seconda della massa e della velocità delle particelle di Materia Oscura incidenti. Nel lavoro di tesi, si è determinato che per soddisfare i vincoli osservativi del parametro di densità Ω = 0.1198 è necessario che la particella di Materia Oscura abbia una massa di circa 5.5 TeV. Per tale valore di massa è possibile valutare l’impatto del Sommerfeld Enhancement anche sui processi rilevanti per l’osservazione indiretta di Materia Oscura nell’Universo attuale. Dal confronto con il limite imposto dalle misure sulle dwarf delle analisi dei telescopi Fermi-LAT e MAGIC, si evince che tale modello non è escluso, bensì testabile con un miglioramento della sensibilità sperimentale.