Extensiones del modelo estándar del universo primitivo: nucleosíntesis primordial, axiones y materia oscura

Abstract

La visión que se tiene actualmente del universo se basa en el modelo cosmológico de Friedmann-Robertson-Walker (FRW), habitualmente conocido como el modelo del Big bang. Este modelo considera que en su origen el universo era un plasma de muy alta energía que se ha ido expandiendo y enfriando hasta nuestros días, dando lugar a diferentes transiciones de fase que han llevado al universo a su estado actual. En los últimos 15 años, las observaciones han permitido probar este modelo con una alta precisión, llegando a una espléndida confirmación.<br/>A parte de fundamentarse en la teoría de la relatividad general, la otra pieza clave del modelo de FRW es el modelo estándar de las partículas elementales. Este modelo, que describe las interacciones entre todas las partículas elementales conocidas hasta ahora, se ha corroborado experimentalmente con gran precisión en el rango de energías accesible en los experimentos terrestres. Aún así, se sabe que este modelo de las partículas elementales es una teoría efectiva que no es válida cuando vamos a más altas energías, inaccesibles hasta el momento en experimentos de laboratorio terrestres. Es por eso, que el estudio del universo primitivo, donde las energías típicas son mucho más altas que las accesibles desde la tierra, nos puede dar información sobre nuevas interacciones o nuevas partículas.<br/>La nucleosíntesis primordial es una de las predicciones teóricas que ha dado una confirmación más rotunda al modelo del Big bang. Su éxito se basa en la predicción de la cantidad de núcleos ligeros producidos en el universo primitivo, cantidad que hoy en día podemos medir dando una confirmación al modelo teórico, así como información de importantes parámetros cosmológicos. La nucleosíntesis primordial se basa en la interacción de fotones, electrones, positrones, neutrinos, protones y neutrones en el marco de un universo en expansión. A medida que el universo se va expandiendo, el equilibrio entre estas interacciones se va rompiendo dando lugar a la formación de los núcleos más ligeros. La expansión del universo viene descrita por la ecuación de Friedmann, una de las piezas claves del modelo de FRW. Cualquier modificación de esta ecuación alteraría la expansión del universo modificando así las predicciones estándares de la nucleosíntesis primordial. En esta tesis se hace un estudio cuantitativo de cual es el margen de modificación de la ecuación de Friedmann que permiten las observaciones. Acotando cualquier desviación de la ecuación de Friedmann estándar podemos limitar la posible nueva física que pueda ser relevante en el momento en el que se produce al nucleosíntesi primordial. Como aplicación se acotan distintos modelos donde la gravedad se acopla de forma distinta a materia y antimateria y a las distintas familias leptónicas. Es importante señalar que el momento de la nucleosíntesis primordial es el más antiguo de la historia del universo del que se tiene evidencia observacional.<br/>Como ya se ha comentado, uno de los retos importantes de la física teórica actual es encontrar extensiones al modelo estándar de las partículas elementales. Estas extensiones pueden ser en forma de nuevas interacciones así como en la presencia de nuevas partículas, no detectadas hasta el momento. Uno de los ejemplos paradigmáticos de nueva partícula es el caso del axión. Esta partícula aparece como consecuencia de la solución al problema teórico de violación de CP en las interacciones fuertes. Más explícitamente, esta partícula es el bosón de Goldstone que aparece después de la rotura espontánea de la simetría de Peccei-Quinn (PQ). Esta rotura se produce a muy altas energías, por lo tanto el axión es una partícula que se produce principalmente en el universo primitivo. Hay diferentes mecanismos de producción de axiones, siendo uno de ellos la producción térmica a través de reacciones con las partículas presentes en el universo primitivo. En esta tesis se reanalizan las condiciones bajo las que hay producción térmica de axiones, dando nuevas cotas a los parámetros relevantes a la física de axiones así como nuevas predicciones a la densidad de axiones térmicos presentes actualmente en el universo.<br/>Actualmente se sabe que el universo está compuesto por un 0.5% de materia que emite luz (y por lo tanto, que podemos observar), un 30% de materia oscura y el resto se encuentra en forma de energía. De la materia oscura, solo un 5% de ésta se sabe que está formada por partículas que conocemos. El 90% restante estaría formada por partículas que aun no han sido detectadas (materia oscura no bariónica). Una de las características más atractivas del axión es la posibilidad de que sea uno de los constituyentes de la materia oscura no bariónica. No obstante, hay motivaciones teóricas para pensar que en el universo primitivo han podido haber simetrías similares a la de PQ que actualmente están rotas y que por lo tanto hayan dado lugar a partículas escalares similares al axión, pero con una física distinta. Como aportación final de esta tesis, se hace un estudio general de la posibilidad de que la materia oscura no bariónica esté formada por bosones de Goldstone que han adquirido masa por efectos cuánticos de la gravedad.

Our present understanding of the universe is based on the Friedmann Robertson Walker (FRW) cosmological model, commonly known as the Big Bang. This model considers that in the beginning the universe was a very hot plasma. This high energy plasma has expanded and cooled down until now. During this time several phase transitions have brought the universe to its present state. In the last decades many observations have tested this model with a high precision, and a very good agreement almost always has been found.<br/>The FRW model is based on two pillars: the theory of General Relativity and the Standard Model of Elementary Particles. This last model describes the interactions among all known elementary particles. It agrees with all the experimental tests that have been performed in ground experiments to an impressive level of accuracy. Despite this success, is widely accepted that the Standard Model is an effective theory that cannot be valid at higher energies. For this reason the study of the early universe, where the typical energies are much larger than the terrestrial ones, can give us hints about new interactions or new particles. <br/>Primordial Nucleosynthesis is one of the theoretical predictions of the Big Bang Model that has been confirmed with the highest accuracy. One of the main success of the model of the Big Bang Nucleosynthesis (BBN) is the determination of the light nuclei yields produced in the early universe. These quantities can be inferred through present observation, giving us a confirmation of the theoretical model as well as information of some important cosmological parameters. BBN is based on the interaction between photons, electrons, positrons, neutrinos, protons and neutrons in the context of an expanding universe. While the universe expands, the equilibrium between these interactions breaks down leading to the formation of the lightest nuclei. The expansion of the universe is described by the Friedmann equation, one of the cornerstones of the FRW model. Any modification of this equation alters the expansion of the universe and therefore modifies the standard predictions of the BBN. One of the objectives of this thesis is to make a quantitative study of how much can we modify the Friedmann equation based on the observations of the light elements abundances. Constraining the deviations from the standard Friedmann equation enables us to obtain limits on new physics that can be relevant in the early universe. As an application we study several models of new physics where gravity couples in a different strength to matter than to antimatter and to the three leptonic families. It is important to notice that primordial nucleosynthesis is the first moment of the history of the universe that we have observational evidence.<br/>As we said, one of the most important objectives of present research in theoretical physics is finding extensions beyond the standard model of the elementary particles. These new theories can introduce new interactions and/or new particles not yet detected. One of the best known example is the case of the axion. This particle appears as a consequence of the solution of the strong CP problem. The axion is the Goldstone boson related to the spontaneous breaking of the Peccei-Quinn (PQ) symmetry. This breaking occurs at very high energies so the axion is a particle that would be produced mainly in the early universe. The axion can be produced by several mechanisms. One of them is thermal production from known particles in the early universe. In this thesis we reanalyze under which conditions there is thermal production of axions, giving new bounds to relevant parameters of axion physics and also giving new predictions to the density of thermal axions that could be observed today in the universe.<br/>Today we know that the universe is formed by luminous matter (0.5%), dark matter (30%) and dark energy (the rest). Only the 5% of the amount of dark matter is composed by known particles. The other 95% (non-baryonic dark matter) is formed by particles that we haven't discovered yet. One of the most attractive points of the axion is that it could be one of the constituents of the non-baryonic dark matter. Nevertheless, based on theoretical motivations, we know that in the universe there has been other symmetries similar to PQ symmetry. The breaking of these symmetries give rise to scalar particles similar to the axion, but with different physical properties. As a final contribution of this thesis we make a general study about the possibility that non-baryonic dark matter is formed by Goldstone bosons that have become massive by quantum gravity effects.