Kurzfassung
Diese Notizen geben einen bemerkenswerten und vollständigen Überblick über die wichtigen Fragen an der Schnittstelle zwischen theoretischer Teilchenphysik und Kosmologie. Nach der Erörterung der theoretischen und experimentellen Physikrevolution, die im vergangenen Jahrhundert zum Aufstieg des Standardmodells führte, werden alle wichtigen offenen Rätsel wie das Hierarchieproblem, der kleine Wert der kosmologischen Konstante, die Materie-Antimaterie-Asymmetrie, oder das Problem der Dunklen Materie und präsen- tiert den Stand der Technik in den vorgeschlagenen Lösungen mit einer umfangreichen Bibliographie. Dieses Manuskript betont die Bereiche thermische Dunkle Materie, kos- mologische Phasenübergänge erster Ordnung und Gravitationswellensignaturen. Dieser umfassende und enzyklopädische Band ist eine reichhaltige Ressource für Forscher und Studenten, die in das Gebiet einsteigen.
Geschrieben nach einem 3-jährigen Forschungsstudium bei DESY, während ungefähr zwei Drittel des Materials Rezensionen sind, präsentiert ein Drittel die ursprüngliche Doktorarbeit des Autors. Schwach wechselwirkende, massereiche Teilchen (engl. WIMPS) an der TeV-Skala, gehören seit langem zu den motiviertesten und meist studierten Dunkle Materie (DM) Kandidaten. Allerdings hat das Fehlen jeglicher experimenteller Evidenz für solche Teilchen, in der Vergangenheit auch bereits andere Modelle und Studien stimuliert, welche mitunter über das WIMP Paradigma hinausgehen. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Thesis ebenfalls mehrere Schritte in diese Richtung unternommen.
Insbesondere sind wir an DM Teilchen interessiert, deren Masse weit oberhalb der TeV-Skala liegt. Ein bekanntes Hindernis bei der Realisierung solcher Modelle, stellt die Unitaritätsschranke des Annihilierungswirkungsquerschnitts dar, welche die Masse ther- mischer DM auf ∼ 100 TeV begrenzt. Diese Schranke kann jedoch umgangen werden, falls die Häufigkeit DM durch zusätzliche Entropieinjektion verdünnt wird. Dementsprechend werden in dieser Thesis zwei verschiedene Arten der Entropieinjektion untersucht.
In einem ersten Schritt studieren wir die Entropieinjektion, welche durch die Wieder- aufheizung des Universums nach einer frühen Materieära hervorgerufen wird. Speziell betrachten wir dabei die Existenz eines schweren Beobachterfelds, welches zunächst die Energiedichte des Universums dominiert und anschließend in Strahlung zerfällt. In diesem Zusammenhang untersuchen wir, inwieweit dieses Szenario durch indirekte Beobachtun- gen, den CMB oder die 21-cm Linie beschränkt werden kann. Außerdem zeigen wir, dass es experimentell durchaus von Interesse ist, die Grenze an die Masse thermische DM über 10/100 TeV hinaus zu erweitern.
In einem zweiten Schritt studieren wir dann die Entropieinjektion, welche durch die Wiederaufheizung des Universums nach einer frühen Vakuum-dominierten Phase hervorgerufen wird. Diese Phase wird dabei durch einen unterkühlten “beschränkten' Phasenübergang erster Ordnung (engl, 1stOPT) erzeugt. Dabei untersuchen wir ein wohlmotiviertes Szenario, in welchem DM als zusammengesetzter Zustand einer neuen Kraft betrachtet wird, und wir zeigen, dass eine Vielzahl neuer Effekte, wie etwa String Fragmentierung und tief-inelastische Streuung im frühen Universum, bei der endgülti- gen Bestimmung der DM Häufigkeit von zentraler Bedeutung sind. In beiden Fällen zeigen wir außerdem, dass die DM Masse bis zur EeV-Skala erhöht werden kann, vier Größenordnungen über die Unitaritätsschranke.
All diese Szenarien erforden eine “nicht Standard” Kosmologie (entweder Materieära, oder inflationäre Ära innerhalb der strahlungsdominierten Ära) und wir zeigen, dass solche Modelle durch mögliche Spuren kosmischer Strings (engl. CS) im Spektrum von Gravitationswellen getestet werden können, solange diese in zukünftigen GW-Detektoren beobachtet werden können.
In dieser Thesis untersuchen wir daher im Detail das von CS hervorgerufene GW- Spektrum, sowie die entsprechenden Beschränkungen der DM Modelle, welche für eine solche Änderung der Kosmologie verantwortlich wären.
This book provides a thorough survey of the important questions at the interface between theoretical particle physics and cosmology. After discussing the theoretical and experimental physics revolution that led to the rise of the Standard Model in the past century, this volume reviews all major open puzzles, like the hierarchy problem, the small value of the cosmological constant, the matter-antimatter asymmetry, or the dark matter problem, and presents the state-of-the-art in the proposed solutions, with an extensive bibliography. This manuscript emphasises the fields of thermal dark matter, cosmological first-order phase transitions and gravitational-wave signatures. Comprehensive and encyclopedic, this book is a rich resource for both researchers and students entering the field. Written after a 3-year doctoral program in DESY, in addition to the reviews composing two third of the material, one third presents the original PhD research work of the author. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) around the TeV scale have since long been among the best-motivated and most studied Dark Matter (DM) candidates. However, the absence of experimental evidence for such particles either in colliders, at telescopes or in underground laboratories, has stimulated model-building and studies of new methods of detection beyond the WIMP paradigm. This thesis performs several steps in this direction. We are in particular interested in the case where DM is much heavier than a TeV. A well-known obstacle for such a realization is the unitarity bound on the annihilation cross-section which constrains the mass of thermal DM to be smaller than ∼100 TeV. However, the unitarity bound can be evaded in presence of entropy injection which dilutes the DM abundance. In this thesis, we investigate two possible sources of entropy injection. First, we study the entropy injection following reheating after an early matter era, when a heavy spectator field, which we choose to be the DM mediator, dominating the energy density of the universe, decays into radiation. We study in detail the corresponding constraints from indirect detection, Cosmic Microwave Background (CMB) and 21-cm, and we show that experimentalists have interests to extend the thermal DM constraints to DM masses beyond the 10/100 TeV range. Second, we study the entropy injection following reheating after an early stage of vacuum domination generated by a supercooled confining first-order phase transition. Considering the well-motivated scenario where DM is a composite state of a new confining force, we found that a variety of new effects, e.g. string fragmentation and deep-inelastic- scattering in the early universe, play an important role for setting the final DM abundance. In both cases, we show that we can increase the DM mass up to the EeV scale, 4 orders of magnitude larger than the unitarity bound. Such scenarios involve non standard cosmologies (either matter era or inflationary era inside the radiation era) and we show that these can be probed using the would-be imprints on the Gravitational-Waves (GW) spectrum from Cosmic Strings (CS) if observed with future GW detectors. In this thesis, we study in detail the computation of the GW spectrum from CS in the presence of non-standard cosmology and the associated constraints on DM models responsible for such a change of cosmology.