Strongly Interacting Dark Sectors in the Early Universe and at the LHC

Unser Verständnis des Universums - seiner fundamentalen Bestandteile und seiner Entwick-
lung - hat sich im vergangenen Jahrhundert erheblich weiterentwickelt. Dennoch bleiben
große Rätsel ungelöst. Eine der drängendsten Fragen der modernen Physik ist die Natur der
Dunklen Materie. Trotz überzeugender Hinweise aus astrophysikalischen und kosmologischen
Beobachtungen sowie umfangreicher experimenteller Bemühungen, sie direkt nachzuweisen,
bleibt die wahre Natur der Dunklen Materie weiterhin unbekannt. Diese Unsicherheit hat
das Interesse an einer Vielzahl neuer theoretischer Modelle geweckt, die neue Teilchen mit
... mehr
besonderen Eigenschaften untersuchen, die bisher der Detektion entgangen sein könnten. In
dieser Arbeit widmen wir uns einer Klasse solcher Modelle, in denen die Dunkle Materie in
einem abgeschlossenen, verborgenen Sektor existiert, der nur schwach mit dem Standardmod-
ell wechselwirkt. Konkret untersuchen wir eine SU (NcD ) Eichfeldtheorie mit NfD leichten
dunklen Quarks. Bei niedrigen Energien führt diese Theorie zur Confinement und damit zur
Entstehung eines Spektrums dunkler Mesonen. Die beiden leichtesten unter ihnen - dun-
kle Pionen und dunkle Rho-Mesonen - spielen eine zentrale Rolle. Das dunkle Pion kann
stabil sein und stellt somit einen vielversprechenden Kandidaten für Dunkle Materie dar.
Gleichzeitig beeinflusst ein relativ leichtes dunkles Rho-Meson die Phänomenologie der Dun-
klen Materie in diesem Modell auf zwei entscheidende Arten. Erstens ermöglicht das leichte
dunkle Rho-Meson den Annihilationsprozess 3πD → πDρD, den wir als dominanten Mecha-
nismus zur Festlegung der Reliktdichte der Dunklen Materie identifizieren. Dies bevorzugt
dunkle Pionenmassen in der Größenordnung von einigen hundert MeV, wobei die Stärke der
Selbstwechselwirkungen unterhalb der durch Beobachtungen des Bullet Clusters gesetzten
Obergrenze bleibt. Zweitens kann das dunkle Rho-Meson kinematisch nicht mehr innerhalb
des dunklen Sektors zerfallen. Falls schwache Wechselwirkungen mit dem Standardmod-
ell existieren, kann es mit einer signifikanten Lebensdauer in sichtbare Teilchen zerfallen.
Dies führt zu neuen, charakteristischen experimentellen Signaturen, wie dunklen Schauern
und Displaced Vertices in Beschleunigerexperimenten. Wir untersuchen die Sensitivität ak-
tueller und zukünftiger Suchen nach Displaced Vertices - etwa bei NA62, SHiP und Belle
II - zur Erkundung des Parameterraums dieses Modells. Unsere Ergebnisse zeigen, dass ein
beträchtlicher Teil des Parameterraums bis zu dunklen Rho-Massen von einigen GeV in na-
her Zukunft zugänglich sein könnte. Abschließend betrachten wir die Signaturen dunkler
Schauern in Experimenten am LHC. Da der LHC derzeit der Teilchenbeschleuniger mit der
höchsten Energie ist, bietet er in vielerlei Hinsicht eine hervorragende Möglichkeit, nach neuer
Physik jenseits des Standardmodells zu suchen. Allerdings ist klar, dass diese Art von Modell
in traditionellen LHC-Suchen schwer zugänglich ist. Ein Beispiel dafür ist das sogenannte
Dark Shower-Ereignis, bekannt als halb-sichtbare Jets, das sich durch viel fehlenden Transver-
salimpuls auszeichnet, die eng mit einem Jet des Standardmodells ausgerichtet ist. Solche
Ereignisse werden typischerweise als Folge falsch rekonstruierter Jets interpretiert und daher
meist verworfen. Spezielle Suchen im dunklen Sektor, die solche Ereignisse erfassen könnten,
sind sehr selten und oft unzureichend in ihrer theoretischen Behandlung des Modells. Daher
betonen wir die Notwendigkeit, LHC-Suchen neu zu interpretieren, um einen größeren Teil
des Parameterraums dieser Modelle untersuchen zu können. Während viele Suchen allgemein
nach neuer Physik Ausschau halten und nicht unbedingt darauf achten, ob ein Modell einen
geeigneten Kandidaten für dunkle Materie enthält, ist dieser Aspekt entscheidend, wenn es
darum geht, dunkle Materie zu entdecken. Modelle, die solche Kandidaten mit korrekter
Reliktdichte beinhalten - wie das in dieser Arbeit untersuchte - sind in diesem Zusammen-
hang besonders vielversprechend. Sie bieten großes Potenzial für Entdeckungen oder für das
Setzen bedeutender Einschränkungen durch zukünftige Experimente.

Our understanding of the Universe, its fundamental constituents and its evolution, has sig-
nificantly advanced over the past century. Nonetheless, big mysteries remain unsolved. One
of the most pressing questions in modern physics is the nature of dark matter. Despite com-
pelling evidence from astrophysical and cosmological observations, and extensive experimental
efforts to detect it, the nature of dark matter continues to elude us. This has sparked interest
in a plethora of new theoretical models, exploring new particles with distinct phenomena that
could have evaded detection thus far. ... mehrIn this thesis, we dive into a class of such models, where
dark matter resides in a confined hidden sector with feeble interactions with the Standard
Model. Specifically, we study an SU (NcD ) gauge theory with NfD light dark quarks. At low
energies, this theory confines, giving rise to a spectrum of dark mesons. Among these, the two
lightest - dark pions and dark rho mesons - play a central role. The dark pion can be stable,
making it a compelling dark matter candidate. Meanwhile, a relatively light dark rho meson
significantly influences the models dark matter phenomenology through two key mechanisms.
First, the light dark rho meson opens up the 3πD → πDρD annihilation process, which we
find to be the dominant process setting the dark matter relic abundance. This favors dark
pion masses on the order of a few hundred MeV, while ensuring that self-interaction strengths
remain below the upper limits imposed by Bullet Cluster constraints. Second, the dark rho
meson becomes kinematically unable to decay within the dark sector. If feeble interactions
with the Standard Model exist, it can decay into visible particles with a significant lifetime.
The latter leads to new distinct experimental signatures, such as dark showers and displaced
vertices at accelerator experiments. We project the sensitivity of current and future displaced
vertex searches, such as at the NA62, SHiP and Belle II, to probe the parameter space of
this model. Our findings suggest that a substantial portion of the parameter space, up to
dark rho masses of a few GeV, could be explored in the near future. Finally, we consider
more broadly the dark shower signatures at LHC collider experiments. As LHC is currently
the highest energy collider, it is in many ways a prime candidate to search for new physics
beyond the Standard Model. However, it is clear that this type of model is difficult to probe
in traditional searches at the LHC. An example of this is the dark shower event known as
semi-visible jets, which is characterised by large missing energy aligned closely with a Stan-
dard Model jet. Such an event is typically expected to arise due to misreconstructed jets,
and hence any signal of this type is usually discarded. Dedicated dark sector searches, which
may record such types of events, are very few, and often unsatisfactory in their theoretical
treatment of the model. We therefore highlight the need for reinterpreting LHC searches,
that will help us probe even more of the parameter space of these types of models. While
many searches look for new physics in general, and may not focus on whether they include a
viable dark matter candidate, this aspect is essential when aiming to discover dark matter.
Consequently, models that do offer such relic density targets, like the one examined in this
thesis, are particularly compelling in this context. They hold significant promise for either
discovery or placing meaningful constraints through upcoming experimental efforts.