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Shedding light on dark matter through 21 cm cosmology and reionization constraints

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22 - Física
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Shedding light on dark matter through 21 cm cosmology and reionization constraints

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dc.contributor.advisor	Mena Requejo, Olga
dc.contributor.advisor	Palomares Ruiz, Sergio
dc.contributor.author	Villanueva Domingo, Pablo
dc.contributor.other	Departament de Fisica Teòrica	es_ES
dc.date.accessioned	2021-07-16T07:49:36Z
dc.date.available	2021-07-17T04:45:05Z
dc.date.issued	2021	es_ES
dc.date.submitted	19-07-2021	es_ES
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10550/79956
dc.description.abstract	Durante las últimas décadas, nuestra comprensión del universo ha alcanzado un nivel remarcable, pudiendo probar predicciones cosmológicas con una precisión asombrosa. Las observaciones de los fotones del Fondo Cósmico de Microondas, junto con los estudios de catálogos galaxias, nos proporcionan una comprensión profunda de la geometría, los componentes y la cronología del cosmos. No obstante, la naturaleza de la Materia Oscura aún se desconoce. La composición, masa e interacciones de las partículas de Materia Oscura presentan uno de los enigmas más intrigantes de la cosmología actual. En esta tesis doctoral se estudian diferentes candidatos a Materia Oscura que pueden dejar un impacto en el proceso de formación de estructuras y en la evolución del Medio Intergaláctico. El análisis del estado de ionización del Medio Intergaláctico, su impacto en el Fondo Cósmico de Microondas y la señal cosmológica corrida al rojo de 21 cm, pueden proporcionar información reveladora sobre las propiedades de la Materia Oscura. Esta tesis está organizada en tres partes. La Parte I está dedicada a una amplia introducción a los fundamentos que describen los temas considerados. Los conceptos básicos del paradigma cosmológico estándar, el universo Lambda-CDM, y un esbozo de la cronología cósmica se presentan en el Capítulo 1. El Capítulo 2 repasa el progreso histórico de las evidencias de la Materia Oscura, seguido de una discusión sobre el estado y la cuestiones del paradigma de la Materia Oscura Fría. Posteriormente se examinan dos escenarios alternativos de Materia Oscura no estándar: Materia Oscura Templada, con partículas con masas del orden del keV, y Materia Oscura Interactiva, donde las partículas de Materia Oscura interactúan a través de la dispersión elástica con fotones. Los efectos físicos, las motivaciones y las restricciones actuales de estos escenarios se estudian en detalle. El Capítulo 3 considera los Agujeros Negros Primordiales como otro candidato de Materia Oscura, repasando su mecanismo de formación, propiedades físicas y límites actuales en su abundancia. Se discuten ampliamente dos efectos principales: el acrecimiento de materia circundante y el incremento de las fluctuaciones a pequeña escala debido al ruido de Poisson, los cuales podrían dejar un impacto observacional en el Medio Intergaláctico. Los fundamentos de la señal cosmológica de 21 cm se revisan en el Capítulo 4, proporcionando las principales derivaciones a partir de un tratamiento de transferencia radiativa, resumiendo los procesos principales que pueden excitar y desexcitar átomos a través de la transición hiperfina en el hidrógeno, y discutiendo los detalles de sus fluctuaciones espaciales a través del espectro de potencias. También se examinan los diferentes métodos de observación por interferometría y experimentos de una única antena, el estado experimental actual y las perspectivas para la detección de la señal de 21 cm con futuros interferómetros. Finalmente, el Capítulo 5 está dedicado al tratamiento del Medio Intergaláctico y la evolución de su estado térmico y de ionización. Se discute el estudio de la Reionización en marcos globales y no homogéneos, así como los límites actuales sobre la evolución de la fracción ionizada por diferentes métodos. Se examinan los canales de enfriamiento y calentamiento relevantes en el medio neutro, junto con la evolución del flujo Lyman-alfa, finalizando con un bosquejo de las diferentes fases evolutivas del universo que se pueden estudiar mediante el estudio de la línea de 21 cm. La Parte II incluye siete artículos científicos originales publicados durante el desarrollo del doctorado, que constituyen el trabajo principal de esta tesis. Finalmente, la Parte III contiene un resumen de los principales resultados en castellano.	es_ES
dc.description.abstract	During the last decades, our understanding of the universe has reached a remarkable level, being able to test cosmological predictions with an astonishing precision. Observations of relic photons of the Cosmic Microwave Background, together with galaxy surveys, provide us with a deep comprehension of the geometry, components and chronology of the cosmos. Nonetheless, the nature of the Dark Matter still remains unknown. The composition, mass and interactions of Dark Matter particles present one of the most intriguing conundrums in current cosmology. In this doctoral thesis, signatures of Dark Matter candidates which can leave an impact on the process of formation of structures and on the evolution of the Intergalactic Medium are studied. The analysis of the state of ionization of the Intergalactic Medium, its impact on the Cosmic Microwave Background, and the 21 cm redshifted cosmological signal, can provide insightful information regarding the properties of the Dark Matter. This thesis is organized in three parts. Part I is devoted to a broad introduction to the fundamentals describing the state of the art of the topics considered. The basics of the standard cosmological paradigm, the Lambda-CDM universe, and a sketch of the cosmic timeline is presented in Chapter 1. Chapter 2 overviews the historical progress of evidences of Dark Matter, followed by a discussion of the status and small-scale issues of the Cold Dark Matter paradigm. Two alternative non-standard Dark Matter scenarios are then examined: Warm Dark Matter, whose particles with masses of the order of keV present free streaming, and Interacting Dark Matter, where Dark Matter particles interact via elastic scattering with photons, producing collisional damping. The physical effects, motivations and current constraints of these Dark Matter scenarios are studied in detail. Chapter 3 considers Primordial Black Holes as another Dark Matter candidate, overviewing their formation mechanism, physical properties and current constraints on their abundance. Two main effects are widely discussed: accretion of surrounding matter and the enhancement of small-scale fluctuations due to the Poisson shot noise, both of which could leave an observational impact in the Intergalactic Medium. The fundamentals of the 21 cm cosmological signal are reviewed in Chapter 4, providing the main derivations from a radiative transfer treatment, summarizing the main processes which can excite and de-excite atoms via the hyperfine transition in Hydrogen, and discussing the details of its spatial fluctuations via the power spectrum. The different observational tests by interferometry and single-dish experiments, current experimental status and prospects for the detection of the 21 cm signal with future interferometers are also examined. Finally, Chapter 5 is dedicated to the treatment of the Intergalactic Medium and the evolution of its ionization and thermal state. The study of Reionization in global and inhomogeneous frameworks are discussed, as well as the current bounds on the evolution of the ionized fraction by different probes. The relevant cooling and heating channels in the neutral medium, together with the evolution of the Lyman-alpha flux are examined, finishing with a sketch of the different evolutionary phases of the universe that can be traced by studying the 21 cm line. Part II includes seven original scientific articles published during the development of the PhD, which constitute the main work of this thesis. Finally, Part III contains a summary of the main results in Spanish.	en_US
dc.format.extent	384 p.	es_ES
dc.language.iso	en_US	es_ES
dc.subject	cosmología	es_ES
dc.subject	materia oscura	es_ES
dc.subject	reionización	es_ES
dc.title	Shedding light on dark matter through 21 cm cosmology and reionization constraints	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::FÍSICA	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES