Kurzfassung
The nature of dark matter remains one of the most important questions in modern physics. Historically, the most investigated dark matter candidates have been thermal in origin. Such candidates are championed by the paradigm of weakly interacting massive particles (WIMPs). However, with the continued non-discovery of WIMPs by the many dedicated direct detection searches as well as the non-observation of supersymmetry and other beyond-Standard-Model theories related to the WIMP paradigm, we are motivated to look elsewhere and explore new scenarios.
An interesting possibility is that dark matter may not be of a thermal origin. Non-thermal production mechanisms of dark matter suggest that dark matter may have a coupling to the Standard Model many orders of magnitude smaller than the range suggested by WIMPs. This allows for the possibility of dark matter being both very light and cosmologically stable. The canonical examples of such light, non-thermally produced dark matter candidates are the axion-like-particles, which in recent years have seen a resurgence of attention from theorists and experimentalists alike.
Axion-like-particles are pseudoscalar particles which are natural ultra-light dark matter candidates because even minimal models have an inherent production mechanism known as the misalignment mechanism. This mechanism relies on the observation that an oscillating scalar field behaves as cold dark matter and that the most generic initial conditions inevitably lead to such oscillations. However, the energy density predicted by the misalignment mechanism strongly depends on the initial condition of the axion field. In much of the parameter space that is experimentally accessible, the standard misalignment mechanism underproduces dark matter. The key motivation for this thesis is to question the standard assumption on the initial conditions for the axion field.
This thesis is devoted to the investigation of novel production mechanisms of axion-like-particle dark matter, which go beyond the standard paradigm by exploring initial conditions involving non-zero kinetic energy of the axion-like-particle field. This family of scenarios goes under the common name of kinetic misalignment. Our exploration of kinetic misalignment is divided into two stages: In the first stage, part II of this thesis, we investigate the dynamics of such scenarios independently of how the initial conditions are realized. In particular, we study the role of parametric resonance and the phenomenon of axion fragmentation. We find that this form of parametric resonance is indeed efficient in much of the relevant parameter space and that the produced relic, therefore, has a non-trivial momentum spectrum which could lead to observational prospects in the form of dark matter mini-clusters. In the second stage, part III of this thesis, we investigate how the assumed initial conditions can be implemented in scenarios inspired by Affleck-Dine baryogenesis. This allows us to present the full story of how and under which constraints the standard paradigm can be extended to such scenarios of kinetic misalignment. We find that a KSVZ-like model with a nearly-quadratic potential can support much of the interesting parameter space in the 10^{-6} eV < m_a < 10 eV regime if the spectrum of primordial fluctuations can be adequately suppressed. In this case, a period of kination can lead to an associated signature in amplified primordial gravitational waves.
In summary, we show that axion-like-particle dark matter can be motivated in nearly all of the [m_a,f_a] parameter space that is currently unconstrained by experiments. In the coming years, a large number of searches will extend the experimental reach. These experiments have the prospect of not only discovering a QCD axion or an axion-like-particle but also having that discovery constitute all of the observed dark matter.
Die Natur der Dunklen Materie bleibt eine der wichtigsten Fragen der modernen Physik. Die historisch am besten untersuchten Kandidaten für Dunkle Materie waren thermische Kandidaten, wie sie vom Paradigma der schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs) vertreten werden. Die anhaltende Nichtentdeckung von WIMPs durch die vielen dedizierten Suchen per direkter Detektion, sowie die Nichtbeobachtung von Supersymmetrie und anderen mit dem WIMP-Paradigma verbundenen Theorien, motiviert uns neue Szenarien zu erforschen. Eine interessante Möglichkeit ist, dass Dunkle Materie keinen thermischen Ursprung hat. Nicht-thermische Produktionsmechanismen eröffnen die Möglichkeit, dass Dunkle Materie sehr leicht und trotzdem kosmologisch stabil sein kann. Das kanonische Beispiel für solche leichten, nicht thermisch erzeugten Kandidaten für Dunkle Materie sind die Axion-ähnlichen-Teilchen, die in den letzten Jahren sowohl von Theoretiker*innen als auch von Experimentator*innen wieder mehr Aufmerksamkeit erfahren haben. Axion-ähnliche-Teilchen sind pseudoskalare Teilchen, die natürliche Kandidaten für ultraleichte Dunkle Materie sind, da selbst minimale Modelle einen inhärenten Produktionsmechanismus haben, der als Fehlausrichtungsmechanismus bekannt ist. Dieser Mechanismus beruht auf der Beobachtung, dass sich ein oszillierendes Skalarfeld wie kalte Dunkle Materie verhält, und dass die allgemeinsten Anfangsbedingungen unweigerlich zu solchen Oszillationen führen. Die durch den Fehlausrichtungsmechanismus vorhergesagte Energiedichte hängt jedoch stark vom Anfangszustand des Axionfeldes ab. Die Hauptmotivation dieser Arbeit ist es, die Standardannahme zu den Anfangsbedingungen für das Axionfeld zu hinterfragen. Diese Dissertation widmet sich der Untersuchung neuartiger Produktionsmechanismen Axion-ähnlicher-Teilchen Dunkler Materie, die über das Standardparadigma hinausgehen, indem sie Anfangsbedingungen untersucht, die eine von Null verschiedene kinetische Energie beinhalten. Diese Familie von Szenarien wird allgemein als kinetische Fehlausrichtung bezeichnet. Unsere Erforschung der kinetischen Fehlausrichtung ist in zwei Phasen unterteilt: In der ersten Phase untersuchen wir die Dynamik solcher Szenarien unabhängig davon, wie die Anfangsbedingungen realisiert werden. Insbesondere untersuchen wir die Rolle der parametrischen Resonanz und das Phänomen der Axionfragmentierung. Wir stellen fest, dass diese Form der parametrischen Resonanz in einem Großteil des relevanten Parameterraums tatsächlich effizient ist, und dass das erzeugte Relikt daher ein nicht triviales Impulsspektrum aufweist, welches in Form von Miniclustern beobachtbare Effekte in Aussicht stellt. In der zweiten Phase untersuchen wir, wie die angenommenen Anfangsbedingungen in Szenarien, die von der Affleck-Dine-Baryogenese inspiriert sind, implementiert werden können. Dies ermöglicht es uns, umfassend darzustellen, wie und unter welchen Bedingungen das Standardparadigma auf solche Szenarien kinetischer Fehlausrichtung erweitert werden kann. Wir stellen fest, dass ein KSVZ-ähnliches Modell mit einem nahezu-quadratischen Potential in einen Großteil des interessanten Parameterraums im Bereich 10^{-6} eV < m_a < 10 eV realisiert werden kann, falls das Spektrum der primordialen Fluktuationen ausreichend unterdrückt werden kann. In diesem Fall kann eine Kinationsperiode zu einer zugehörigen Signatur in verstärkten primordialen Gravitationswellen führen. Zusammenfassend zeigen wir, dass Dunkle Materie sich durch Axion-ähnliche-Teilchen in fast dem gesamten [m_a,f_a]-Parameterraum erklären lässt. In den kommenden Jahren wird eine Vielzahl von Experimenten diesen Parameterraum weiter erschließen. Diese Experimente stellen die Möglichkeit in Aussicht, nicht nur ein QCD-Axion oder ein Axion-ähnliches-Teilchen zu entdecken, sondern auch, dass diese Entdeckung die gesamte Dunkle Materie ausmacht.