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Dark Matter and Massive Neutrinos: Cosmological Probes of Physics Beyond the Standard Model

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Universitat de Barcelona. Facultat de Física

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[eng] The overwhelming evidence for the existence of dark matter in the Universe, and the discovery of the neutrino masses, are striking indicators of the need for new physics beyond the ΛCDM and Standard Model paradigms. Dark matter (DM) constitutes 85 % of the matter in the Universe, but its fundamental nature remains a mystery. Moreover, the physical mechanism responsible for the neutrino masses is unknown. A complete theoretical framework – consistent with all observations – that incorporates a microscopic description of dark matter into the standard models of cosmology and particle physics, as well as an understanding of the origin and scale of the neutrino masses, is a key common goal. Cosmological observables are promising in this regard and can provide unique insights into the nature of these elusive particles. This thesis focuses on the synergy between cosmology and particle physics in answering these fundamental questions. To this end, I present examples of how upcoming measurements probing the high-redshift Universe can unveil new insights into the nature of dark matter and the complementarity between cosmological observations and terrestrial experiments in determining the neutrino mass hierarchy. The first part of the research presented in this thesis studies the signatures of non-gravitational DM interactions on cosmological observables. I compute the effects of DM decay and annihilation on the thermal and ionisation history of the Universe, and the imprint on the 21 cm line intensity mapping signal from the dark ages. I examine the potential to detect such a signature with forthcoming 21 cm line intensity mapping measurements, presenting forecasted constraints for both upcoming and next-generation experiments. Next, the effects of DM-baryon scattering in the post-recombination Universe are explored. In this work, I consider for the first time the direct contribution of such interactions on the baryon and dark matter temperature perturbations and the resulting evolution of cosmological density perturbations. In particular, I show that these contributions lead to a large enhancement of the baryon temperature power spectrum and a further suppression of matter clustering at small scales, which can alter both the amplitude and time evolution of the 21 cm signal from cosmic dawn and reionization. In the second part of this thesis, I look at the question of neutrino masses and the mass hierarchy from the lens of cosmology. Cosmological surveys provide the tightest constraints on the absolute mass scale of neutrinos, and are closing in on the minimum mass bound allowed under the inverted hierarchy. Using the latest results from global fits to neutrino oscillations experiments combined with cosmological constraints on the sum of the masses, I perform a Bayesian analysis to constrain the individual neutrino masses and evaluate the Bayesian Evidence for each of the neutrino mass orderings. The results show that current data provide strong Bayesian preference for the normal mass hierarchy, even under widely different prior assumptions, which has important implications for particle physics. Finally, I conclude the thesis with a summary of the key results and examine their relevance within the broader context of the field. Moreover, I discuss future prospects and potential avenues to follow up this work.

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[spa] Las pruebas irrefutables de la existencia de la materia oscura (DM) en el Universo, y el descubrimiento de las masas de neutrinos, son llamativos indicadores de la necesidad de una nueva física más allá de los paradigmas ΛCDM y del Modelo Estándar. Un marco teórico completo que incorpore una descripción microscópica de la materia oscura a los modelos estándar de cosmología y física de partículas, así como una comprensión del origen de las masas de neutrinos, es un objetivo común clave. Esta tesis se centra en la sinergia entre la cosmología y la física de partículas para responder a estas cuestiones fundamentales. La primera parte de la tesis estudia las firmas de las interacciones de la DM en los observables cosmológicos. Calculo los efectos de la desintegración y la aniquilación de DM en la historia térmica y de ionización del Universo, y la huella en la señal cosmológica de 21 cm de las Dark Ages. Examino el potencial para detectar dicha señal con las futuras observaciones de 21 cm y presento las limitaciones previstas para los experimentos próximos. A continuación, se exploran los efectos cosmológicos de la dispersión elástica entre el DM y los bariones. Considero la contribución de estas interacciones en las perturbaciones de temperatura de los bariones y de la DM y la evolución de las perturbaciones de densidad cosmológicas. Muestro que estas contribuciones puedne alterar tanto la amplitud como la evolución temporal de la señal de 21 cm de la época del Cosmic Dawn. En la segunda parte de la tesis, examino la cuestión de las masas de los neutrinos y la jerarquía de masas desde el punto de vista de la cosmología. Utilizando los últimos resultados de los experimentos de oscilaciones de neutrinos, combinados con las restricciones cosmológicas sobre la suma de las masas, realizo un análisis Bayesiano para inferir las masas de los neutrinos y evaluar la evidencia Bayesiana para cada uno de los ordenamientos de masas de neutrinos. Los resultados muestran que los datos actuales proporcionan una fuerte preferencia Bayesiana por la jerarquía de masas normal, incluso bajo probabilidades a priori muy diferentes, lo que tiene importantes implicaciones para la física de partículas.

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Dark Matter and Massive Neutrinos: Cosmological Probes of Physics Beyond the Standard Model