Implicazioni dello scattering tra materia oscura e barioni sul segnale cosmologico della riga 21-cm dell'idrogeno neutro

The EDGES collaboration observed a distorsion in the radio frequency spectrum describing the absorption of the CMB photons by neutral hydrogen. This profile, centered at z &#8776; 17, while being consistent with expectations for the 21-cm signal, shows an amplitude more than a factor of two greater than the largest predictions. The absorption intensity is mesured as the difference between the brightness temperature of the 21-cm signal and the CMB temperature, thus a greater absorption suggests an higher ratio between CMB and baryon temperatures. Dark matter models with non gravitational interactions could explain this discrepancy justifying a barionic temperature lower than the one expected. In this thesis we study the effect of dark matter – baryon scattering on the thermal evolution of the intergalactic medium. Assuming a scattering cross section with a dependence on the relative velocity between the two components, &#963;(v)=&#963;0vn (n<0), we find the specific heating rate between DM and baryons and we write the equations describing the time evolution of their temperatures. We solve the sistem of non linear coupled equation (two for the temperature and one for the free electron abundance) with a python ODE solver for the redshifts 15 < z <1100 and for different values of dark matter mass and cross section. Final scope of this work is to check if ther exist regions in the parameter space, not excluded by other limits, in which the solution contributes to a brightness temperature consistent with EDGES observation.

Le osservazioni della collaborazione EDGES mostrano una distorsione dello spettro nelle radio frequenze (68 MHz < &#957; < 88 MHz) causata dall'assorbimento di fotoni della CMB da parte dell'idrogeno neutro. Questo profilo centrato in z &#8776; 17, pur essendo consistente con le aspettative per la riga 21-cm dell'idrogeno, presenta un'ampiezza due volte maggiore di quella prevista. L'intensità dell'assorbimento viene misurata tramite la differenza tra la temperatura di luminosità del segnale e quella relativa alla radiazione di cosmica di fondo, per cui un maggiore assorbimento suggerisce un rapporto più alto tra la temperatura della CMB e quella dei barioni rispetto a quello fino ad ora previsto. Modelli di materia oscura che prevedono interazioni non gravitazionali con i barioni potrebbero spiegare questa discrepanza riuscendo a giustificare una temperatura minore della componente barionica. In questa tesi studiamo l'effetto dello scattering tra materia oscura e barioni sull'evoluzione termica del mezzo intergalattico. Assumendo una sezione d'urto dipendente dalla velocità relativa tra le due componenti del tipo &#963;(v)=&#963;0vn (n<0), si ricava il tasso di trasferimento del momento tra le due componenti e si scrivono le equazioni che descrivono l'evoluzione temporale della temperatura di barioni e DM. Obbiettivo finale del lavoro è risolvere il sistema di equazioni differenziali non lineari derivato, ottenendo l'andamento delle temperature di DM e barioni al variare dei parametri sezione d'urto e massa della particella di DM; infine si vuole verificare se esistono regioni dello spazio dei parametri non già escluse da altri limiti osservativi, in cui la soluzione dia luogo ad una temperatura di luminosità consistente con le osservazioni di EDGES.