Constraining Particle Physics models with Cosmology and Astrophysics: two different cases

Abstract

En aquesta tesi hem estudiat dos casos diferents en que els observables cosmològics i astrofísics es poden utilitzar per restringir extensions del Model Estàndard. El primer ha estat centrat en la dinàmica de la paret de la bombolla en una Transició de Fase Electrodèbil de Primer Ordre. Els principals avanços d'aquesta tesi en relació amb aquest tema han estat els següents: en primer lloc, hem desenvolupat un mètode numèric molt eficient amb què vam poder trobar, per primera vegada, la solució completa de l'equació de Boltzmann lineal en el context de la esmentada transició cosmològica. En segon lloc, hem ampliat el nostre mètode incloent les equacions que descriuen l'evolució del plasma primordial en equilibri i la paret de la bombolla. En fer-ho, vam poder trobar el valor de la velocitat de la paret de la bombolla per a un cert model de referència. En tercer lloc, confirmem que les pertorbacions fora de l'equilibri tenen un impacte important en el valor de la velocitat de la paret de la bombolla, per la qual cosa cal incloure-les a l'anàlisi. L'altre cas estudiat en aquesta tesi ha involucrat l'axió QCD, la partícula proposada per resoldre el Problema CP Fort. En particular, hem calculat la lluminositat resultant de la conversió ressonant d'axions a fotons dins un núvol superradiant al voltant d'un forat negre. Pel que fa a aquest projecte, els principals èxits són els següents: en primer lloc, el mètode que utilitzem per calcular la lluminositat és analític, és matemàticament molt transparent i permet tenir un clar control quantitatiu i qualitatiu sobre les seves assumpcions. Segon, trobem que per a forats negres primordials i masses d'axions al voltant de 10^(-5) Masses Solars, 10^(-7) eV respectivament el senyal resultant és tan intens que podria ser detectat pel telescopi LOFAR. En tercer lloc, els valors esmentats de masses de PBH per als quals aquesta detecció podria ser possible coincideixen amb el rang de masses que s'ha utilitzat per explicar alguns esdeveniments ultracurts de microlent gravitacional observats per OGLE.

En esta tesis hemos estudiado dos casos diferentes en los que los observables cosmológicos y astrofísicos pueden utilizarse para restringir extensiones del Modelo Estándar. El primero se ha centrado en la dinámica de la pared de la burbuja en una Transición de Fase Electrodébil de Primer Orden. Los principales logros de esta tesis en relación con este tema han sido los siguientes: en primer lugar, desarrollamos un muy eficiente método numérico con el que pudimos encontrar, por primera vez, la solución completa de la ecuación de Boltzmann lineal en el contexto de la mencionada transición cosmológica. En segundo lugar, ampliamos nuestro método incluyendo las ecuaciones que describen la evolución del plasma primordial eqn equilibrio y la pared de la burbuja. Al hacerlo, pudimos hallar el valor de la velocidad de la pared de la burbuja para un cierto modelo de referencia. En tercer lugar, confirmamos que las perturbaciones fuera del equilibrio tienen un impacto importante en el valor de la velocidad de la pared de la burbuja, por lo que es necesario incluirlas en el análisis. El otro caso estudiado en esta tesis ha involucrado al axión QCD, la partícula propuesta para resolver el Problema CP Fuerte. En particular, calculamos la luminosidad resultante de la conversión resonante de axiones a fotones dentro de una nube superradiante alrededor de un agujero negro. Respecto a este proyecto, los principales logros son los siguientes: en primer lugar, el método que utilizamos para calcular la luminosidad es analítico, es matemáticamente muy transparente y permite tener un claro control cuantitativo y cualitativo sobre sus asunciones. Segundo, encontramos que para agujeros negros primordiales y masas de axiones alrededor de 10^(-5) Masas Solares, 10^(-7) eV respectivamente la señal resultante es tan intensa que podría ser detectada por el telescopio LOFAR. En tercer lugar, los valores mencionados de masas de PBH para los que dicha detección podría ser posible coinciden con el rango de masas que se ha utilizado para explicar algunos sucesos ultracortos de microlente gravitacional observados por OGLE.

In this thesis, we have studied two different cases in which cosmological and astrophysical observables can be used to constrain extensions of the Standard Model. The first one was centered on the bubble wall dynamics at a First-Order Electroweak Phase Transition. The main achievements of this thesis regarding this topic have been the following: first, we developed a very efficient numerical method with which we could find, for the first time, the full solution of the linearized Boltzmann equation in the context of the mentioned cosmological transition. Second, we extended our method by including the equations describing the evolution of the background plasma and the bubble wall. By doing so we were able to find the value of the bubble wall velocity for a benchmark model. Third, we confirmed that the out-of-equilibrium perturbations have an important impact on the value of the bubble wall speed, so they need to be included in the analysis. The other case studied in this thesis involved the QCD axion, the particle proposed to solve the strong CP problem. In particular, we computed the luminosity resulting from the resonant conversion from axions to photons inside a superradiant cloud around a Black Hole. Regarding this project, the main achievements are the following ones: first, the method we used to compute the luminosity is analytical, is mathematically very transparent and allows to have clear quantitative and qualitative control over the assumptions. Second, we find that for Primordial Black Holes and axion masses around 10^(-5) Solar Masses, 10^(-7) eV respectively the resulting signal is so intense that it could be detected by the LOFAR telescope. Third, the mentioned values of PBH masses for which such detection could be possible match the mass range that has been used to explain some ultra-short microlensing events observed by OGLE.