Phenomenology of WIMP detection in effective theory and Gravitational Waves of First order phase transition in SO(10)
- 주제(키워드) WIMP 직접 검출 , WIMP 태양 포획 , 질량없는 매개체 , 속도 독립적 한계 , 중력파 , 일차상전이 , SO(10)
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 Stefano Scopel
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082312
- UCI I804:11029-000000082312
- 본문언어 영어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
This thesis is devoted to several phenomenological aspects of Astroparticle Physics with respect to Cosmology and Particle Physics.In particular, it contains calculations of two very distinct signals from the Early Universe: that from the relic density of WIMP dark matter in the Milky Way and in our solar system, and the stochastic background of gravitational waves produced by phase transitions in the Early Universe. In both cases the Cosmos is used as a laboratory to test extensions of the Standard Model of Particle Physics that are not directly accessible in accelerators. The first part of the thesis is devoted to the calculation of bounds to Weakly Interacting Massive Particles (WIMP) that interact with nuclei via the exchange of a massless propagator. In particular we discuss the bounds on the spin–independent (SI) and spin–dependent (SD) WIMP–proton and WIMP–neutron interaction couplings both in the Standard Halo Model (SHM) and in a Halo–independent way, i.e. independently of the choice of a velocity distribution for the WIMPs in the Galaxy. To do so, we combine direct detection, where the nuclear recoil caused by WIMP scattering is measured in solid–state, liquid and gaseous detectors in terrestrial underground laboratories, and the neutrino signal from WIMP annihilation in the Sun. In the case of a massless mediator the SHM capture rate in the Sun diverges and is regularized by removing the contribution of WIMPs locked into orbits that extend beyond the Sun–Jupiter distance. In contrast, the halo–independent bounds are robust against the details of the velocity distribution including the Jupiter cut and the local escape speed, as expected. In the second part of the thesis we investigate gravitational wave signals in a non-supersymmetric grand unified model where the group SO(10) is broken in two steps to the Standard Model gauge group. We calculate the analytical form of the one-loop effective potential responsible for the first step of symmetry breaking and show that it can lead to a first-order phase transition with gravitational wave production. The present experimental sensitivity is still far from the expected signals, but it could be within the reach of novel detector concepts.
more초록(요약문)
본 논문은 우주론과 입자물리 관점에서 천체입자물리학의 여러 현상론적 문제를 다룬다. 구체적으로, 초기 우주에서 기원하는 두 가지 주요 신호를 계산한다. 하나는 우리 은하 및 태양계에 존재하는WIMP 암흑물질의 잔존 밀도와 관련된 신호이며, 다른 하나는 초기 우주의 상전이에 의해 생성된 확률적 중력파 배경이다. 이러한 두 신호를 통해 가속기에서 직접 접근하기 어려운 표준모형 확장 이론을 우주를 실험 실로 삼아 검증한다. 첫 번째 부분에서는 무질량 매개체를 통해 핵과 상호작용하는 WIMP의 결합 상수에 대한 제한을 도출한다. 스핀-비의존(SI) 및 스핀-의존 (SD) WIMP–양성자/중성자 상호작용에 대해 표준 헤일로 모델(SHM)과 헤일로-비의존적 접근법을 모두 적용하였다. 이를 위해 직접 검출 실험의 핵 반동 신호와 태양 내 WIMP 소멸에서 기인하는 중성미자의 관측을 결합한다. 무질량 매개체의 경우 SHM 기반 태양 포획률은 발산하므로, 태양–목성 거리 밖의 궤도에 포획된 WIMP의 기여를 제거하여 정규화한다. 반면 헤일로-비의존적 한계는 속도분포의 세부 선택(예: 목성 컷, 국소 탈출속도)에 강건함을 확인하였다. 두 번째 부분에서는 비초대칭 SO(10) 대통일 이론(GUT)에서 게이지군이 두 단계에 걸쳐 표준모형으로 깨지는 과정 중 발생할 수 있는 중력파 신호를 분석한다. 첫 번째 대칭 깨짐을 유도하는 1-loop 유효 퍼텐셜의 해석적 형태를 도출하고, 그것이 1차 상전이를 일으켜 중력파를 생성할 수 있음을 보인다. 예측되는 신호는 현재 실험 감도로는 검출이 어렵지만, 차세대 검출기 개념에 의해 탐지 가능성이 열릴 수 있다.
more목차
1 Introduction 1
2 Dark Matter 1
2.1 Introduction to DM 1
2.2 Weakly Interaction Massive Particles (WIMPs) 3
2.2.1 WIMP direct detection 7
2.2.2 WIMP indirect detection 9
2.2.3 Velocity of WIMP 12
2.3 Effective theory of WIMP 14
2.4 WIMP-nucleon scattering in the limit of a massless mediator 19
2.4.1 Direct detection 21
2.4.2 Capture in the Sun 22
2.5 Halo–independent bounds with the single–stream method 24
2.6 Results 27
3 Gravitational Waves 40
3.1 Introduction to GW 40
3.2 Matter Content in SO(10) 55
3.3 First Order Phase Transition 56
3.4 Effective Potential 60
3.5 Constraints 66
3.6 Results 73
4 Conclusions 80
A Implementation of the WIMP experimental bounds 82
A.1 LZ and XENON1T and XENONnT 82
A.2 PICO–60 (C3F8) 82
A.3 PICO–60 (CF3I) 83
A.4 Neutrino Telescopes 83
B The WimPyDD Code 85
C Development of a code for the analysis of FOPT in SO(10) 90
Abstract 129
