Unifying the origins of baryon asymmetry and dark matter through freeze-in

Abstract

The origins of the dark matter and the matter-antimatter asymmetry are two of the mostpressing mysteries at the interface between contemporary particle physics and cosmology. Addressingeach of them, let alone both, is a challenging task which has triggered a plethora ofdifferent approaches. In this dissertation we pursue a unified approach and study a mechanismthat allows the generation of the observed baryon asymmetry of the Universe along with itsdark matter content. At the core of the mechanism lie the out-of-equilibrium interactions ofexotic bath particles, which are responsible for the production of feebly-interacting dark matterthrough the freeze-in mechanism. The same processes violate the CP symmetry and can furtherlead to an asymmetry between matter and antimatter being generated in the baryon sector.We exemplify this “freeze-in baryogenesis” mechanism by augmenting the standard modelparticle content with vector-like Dirac fermions and a dark matter candidate. First, we study asimple renormalizable model to illustrate how the mechanism operates in the infrared-regime.In this case the dark matter and the baryon asymmetry are produced at temperatures close tothe electroweak scale. In turn, we focus on the possibility that these interactions are describedthrough non-renormalizable operators of dimension 5 and 6, which leads to both the dark matterand the baryon asymmetry being produced close to the reheating temperature. Finally, werevisit the ultraviolet scenario and study how the presence of a fluid that temporarily dominatesthe energy content of the Universe affects its predictions. Moreover, we show that inflationaryobservables can constrain the parameter space of such models, once the latter are examined inconjunction with concrete models of inflation.For each scenario we derive the viable parameter space which permits the generation of boththe observed baryon asymmetry and the relic dark matter abundance, taking into account thecosmological constraints on the dark matter mass. We also comment on the phenomenologicalaspects of these models and on their observational implications.

Η προέλευση της σκοτεινής ύλης και της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης αποτελούν δύο από τα πιοεπίμονα μυστήρια της σύγχρονης σωματιδιακής φυσικής και κοσμολογίας. Η επίλυση καθενός ξε-χωριστά, πόσο μάλλον και των δύο μαζί, είναι μια απαιτητική πρόκληση η οποία έχει οδηγήσει σεπληθώρα διαφορετικών προσεγγίσεων. Στην παρούσα διατριβή ακολουθούμε μια ενοποιημένη προ-σέγγιση και μελετάμε ένα μηχανισμό που επιτρέπει την παραγωγή της παρατηρούμενης βαρυονικήςασυμμετρίας του Σύμπαντος μαζί με τη σκοτεινή ύλη. Στο επίκεντρο του μηχανισμού βρίσκονται οιεκτός ισορροπίας αλληλεπιδράσεις εξωτικών σωματιδίων του κοσμικού πλάσματος, οι οποίες ευθύνο-νται για την παραγωγή εξαιρετικά ασθενώς αλληλεπιδρούσας σκοτεινής ύλης μέσω του μηχανισμούτου freeze-in. Οι ίδιες αλληλεπιδράσεις παραβιάζουν την CP συμμετρία και μπορούν περαιτέρω ναοδηγήσουν στη δημιουργία ασυμμετρίας μεταξύ ύλης και αντιύλης στο βαρυονικό τομέα.Συγκεκριμένες υλοποιήσεις αυτού του “freeze-in baryogenesis” μηχανισμού μπορούν να επι-τευχθούν επεκτείνοντας το σωματιδιακό περιεχόμενο του καθιερωμένου προτύπου με βαριά, διανυ-σματικού τύπου Dirac φερμιόνια, καθώς επίσης και με σωματίδια που μπορούν να αποτελέσουν τηνσκοτεινή ύλη. Αρχικά μελετάμε ένα επανακανονικοποιήσιμο μοντέλο και επεξηγούμε πως λειτουργείο μηχανισμός στην περιοχή του υπέρυθρου. Στην περίπτωση αυτή η σκοτεινή ύλη και η βαρυονικήασυμμετρία παράγονται σε θερμοκρασίες κοντά στην ηλεκτρασθενή κλίμακα. Κατόπιν, εστιάζου-με στην πιθανότητα αυτές οι αλληλεπιδράσεις να περιγράφονται από μη-επανακανονικοποιήσιμουςτελεστές διάστασης 5 και 6, που οδηγεί στην παραγωγή της σκοτεινής ύλης και της βαρυονικήςασυμμετρίας κοντά στην θερμοκρασία αναθέρμανσης. Τέλος, επανεξετάζουμε το υπεριώδες σε-νάριο και μελετάμε πώς επηρεάζονται οι προβλέψεις του υπό την παρουσία ενός ρευστού το οποίοκυριαρχεί προσωρινά στο ενεργειακό περιεχόμενο του Σύμπαντος. Επιπλέον, δείχνουμε ότι οι πλη-θωριστικές παρατηρήσεις μπορούν να περιορίσουν τον παραμετρικό χώρο τέτοιων μοντέλων, όταναυτά εξεταστούν συνδυαστικά με πληθωριστικά μοντέλα.Σε κάθε σενάριο εξάγουμε τον βιώσιμο παραμετρικό χώρο που επιτρέπει την δημιουργία τηςβαρυονικής ασυμμετρίας και την σκοτεινής ύλης, λαμβάνοντας υπόψη τους κοσμολογικούς περιορι-σμούς σχετικά με τη μάζα της σκοτεινής ύλης. Σχολιάζουμε επίσης τις φαινομενολογικές πτυχέςαυτών των μοντέλων, καθώς επίσης και τις παρατηρησιακές τους επιπτώσεις.