In this study, we investigate the feasibility of Feebly Interacting Massive particles (FIMP) as possible candidates to constitute the observed Dark Matter abundance in the universe. FIMPs are particles that couple very feebly with known particles in the Standard Model (SM). As such, they do not attain thermal equilibrium with the baryon abundant environment in the early universe before Nucleosynthesis. In contrast to a freeze-out mechanism common for Weakly Interacting Massive Particles (WIMP) as DM candidates, FIMPs are produced by the so-called freeze-in mechanism that we will describe in this study. The purpose of this study is to investigate how the Coleman Weinberg (C-W) mechanism affects the FIMP [freeze-in] mechanism. We specifically consider a minimal extension of SM in which an Electroweak Singlet-scalar ($S$) couples only to the Higgs-boson ($H$); This is called the Higgs-portal mechanism. We study the C-W effective potentials for the Higgs and Dark-scalar singlet and their implications on FIMP mechanism.Using these, we focus on the High-temperature production of the DM with just the $HH\mapsto SS$ to compute the reaction rates, comparing Bose-Einstein statistics ($\Gamma_{HH\mapsto S S}^{B-E}$) to Maxwell-Boltzmann statistics $\Gamma_{HH\mapsto S S}^{M-B}$. We employ only $\Gamma_{HH\mapsto S S}^{B-E}$ to compute DM relic abundance ($Y$) at several Dark-scalar masses ($m_S$) as a function of coupling $k$, establishing that Higgs-Dark scalar coupling $k$ $\mapsto$ $k_{DM}$ corresponding to actual DM abundance lies in between ${10}^{-8.7}$ and ${10}^{-8}$, i.e. ${10}^{-8.7}<k_{DM}<="" div=""> / I denna studie undersöker vi mycket svagt interagerande massiva partiklar (FIMP) som möjliga kandidater till den observerade mängden av mörk materia i universum. FIMP:er är partiklar som interagerar väldigt svagt med de kända partiklarna i Standarmodellen (SM). Som sådana uppnår de ej termisk jämvikt med den baryonrika omgivningen i det tidiga universumet innan nukleosyntes sker. I kontrast med en frys-ut mekanism vanligt för svagt interagerade massiva partiklar (WIMPS) som DM kandidater, så produceras FIMP:er av en så kallad frys-in mekanism som vi skall beskriva i denna studie. Syftet med studien är att undersöka hur Coleman Weinberg (C-W) mekanismen påverkar frys-in mekanismen för FIMP:er. Vi tar särskilt hänsyn till en minimal utvidgning av SM i vilken en Elektrosvag singlettskalär ($S$) interagerar med endast Higgsbosonen. Denna mekanism kallas för Higgs-portalmekanism. Vi studerar de C-W effektiva pontetialerna för higgs och mörk-skalärsingletten och deras implikationer för FIMPmekanismen. När vi använder dessa, så fokuserar vi på högtemperatursproduktion av DM med endast $HH\mapsto SS$ för att beräkna reaktionshastigheter, och jämför Bose-Einstein statistik ($\Gamma_{HH\mapsto S S}^{B-E}$) med Maxwell-Boltzmann statistik $\Gamma_{HH\mapsto S S}^{M-B}$. Vi använder endast $\Gamma_{HH\mapsto S S}^{B-E}$ för att beräkna kvarvarande DM mängd ($Y$) för flera mörk-skalärmassor ($m_S$) som en funktion av interaktion $k$, vilket slår fast att Higgs-Mörk skalär interaktionen $k$ $\mapsto$ $k_{DM}$ som korresponderar mot den faktiska DM mängden ligger mellan ${10}^{-8.7}$ and ${10}^{-8}$, i.e. ${10}^{-8.7}<k_{DM}<="" div="">

Bien que représentant plus d’un quart de la distribution en énergie de notre Univers ainsi que la majorité (84\%) de la masse de celui-ci, la nature de la matière noire n’a pas encore été percée à ce jour. Dans cette thèse, il sera supposé que la matière noire est une nouvelle particule élémentaire, stable et dont la connexion (hors interactions gravitationnelles) avec le secteur visible est réalisée grâce à une autre particule, le médiateur. Au sein de ces lignes, la matière noire sera supposée être un fermion de Dirac et le médiateur un boson (vecteur ou scalaire), ce dernier étant choisi comme étant plus léger que la matière noire. Cette thèse propose d’explorer les aspects infrarouges de la production de la matière noire dans l’Univers primordial, le potentiel de détection d’une importante classe de candidats dits \enquote{freeze-in}, caractérisés par de très faibles interactions avec le Modèle Standard, auprès des expériences de détection directe et l’effet des auto-interactions de la matière noire sur son comportement superfluide dans les régions de haute densité de matière noire (halos, capture par des astres compacts) asymétrique. Sous ces hypothèses, premièrement, une étude exhaustive des différents mécanismes de production de la matière noire est réalisée, illustrée dans un modèle où le médiateur est un photon du secteur caché, issu d’un nouveau groupe de jauge U(1)’, qui mélange de façon cinématique avec le photon du Modèle Standard. En particulier, de nouveaux canaux de production sont mis en avant, nommément \textit{freeze-in from mediator} et \textit{sequential freeze-in}. Ceux-ci correspondent à des scénarios où la matière noire est très faiblement couplée au Modèle Standard, n’atteint jamais l’équilibre avec celui-ci dans l’Univers primordial et est produit petit à petit par des annihilations de médiateurs (en équilibre ou non avec le Modèle Standard). Il est ensuite montré que pour l’important et très attractif cas d’une matière noire milli-chargée (ainsi que pour des scénarios où le médiateur n’est pas plus massif que 40 méga-electronvolt), l’expérience de détection indirect Xenon1T contraint aujourd’hui l’espace des paramètres de la phase de freeze-in de ces modèles, et est, dans cette région de l’espace des paramètres, la contrainte la plus importante. Une réinterprétation des limites sur les interactions indépendantes du spin matière noire – nucléon est par ailleurs nécessaire, détaillée et validée. Dans la seconde partie de la thèse, l’effet des auto-interactions dans les scénarios de matière noire asymétrique est exploré. Sous l’hypothèse qu’un halo (galactique ou non) de matière noire atteint l’équilibre thermodynamique à très basse température (comparée à sa masse) et développe donc un potentiel chimique fini, des interactions matière noire – matière noire au voisinage de la surface de Fermi peut entraîner la formation de condensats, de transitions de phase du milieu et dès lors modifier drastiquement l’équation d’état du halo. Un système d’équations auto-consistant pour les condensats est présenté et résolu numériquement. Ensuite, la thermodynamique du système de gaz interagissant est explorée. Finalement, les interactions gravitationnelles sont considérées et les configurations auto-gravitantes, prenant en compte l’ensemble des auto-interactions, sont déterminées et leurs aspects phénoménologiques sont explorés.Even though dark matter represents more than a quarter of the energy budget of our Universe and the majority (84\%) of its mass, the nature of dark matter has not yet been unravelled. In this thesis, it will be assumed that dark matter is a new elementary particle, stable and whose connection (on top of gravitational interactions) with the visible sector is realized through another particle, the mediator. In this thesis, dark matter will be assumed to be a Dirac fermion and the mediator will be a boson (either vector or scalar). This thesis proposes to explore infrared aspects of the production of dark matter in the primeval Universe, aspects of detection of the important class of feebly coupled \enquote{freeze-in} candidates at direct detection experiments and aspects of condensed matter physics such as superfluidity in region of high dark matter density (halos or inside compact objects such as neutron stars). Under these hypothesis, we will first detail an exhaustive study of the possible thermal mechanism of dark matter production, illustrated in a model where the mediator is a dark photon, arising from a new $U\left(1\right)'$ gauge group, which kinematically mixes with the Standard Model photon. In particular, new production channels are put forward, namely the \textit{freeze-in from mediator} and \textit{sequential freeze-in}. They correspond to scenarios where dark matter is very feebly coupled to the Standard Model, do not reach equilibrium with the visible sector thermal bath in the Early Universe and are slowly produced by mediator annihilations (in-equilibrium or not with the Standard Model). It is then showed that for the popular case of a millicharged dark matter ( and for scenarios in which the mediator mass is not bigger than $40$ mega electronvolt), the direct detection experiment XENON1T constrains today the freeze-in parameter space of such models and is the strongest constraint overall for such candidates. A recast of the bounds on spin-independent dark matter$-$nucleon interactions was needed and we validate our procedure against other recast. In the second part of this thesis, the effects of self-interactions in asymmetric dark mater scenarios are explored. Under the hypothesis that a dark matter halo reaches thermodynamic equilibrium at very low temperature (compared to its mass) and develops a finite chemical potential, dark matter$-$ dark matter interactions at the vicinity of the Fermi surface can lead to the formation of condensates, to phase transitions and therefore modify drastically the equation of state of the halo. A self-consistant set of equations for the condensates is presented and solved numerically. The thermodynamics of the interacting dark matter cloud is also explored. Finally, gravitational interactions are considered and self-gravitating configurations of halos, taking into account self-interactions, are determined and their phenomenological aspects is explored. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Fimpnedskräpning är ett problem ur flera aspekter. Fimparnas filter har en lång nedbrytnings­tid och innehåller tungmetallen kadmium, den lagras i allt organiskt. Med den största andelen av den totala mängden skräp har samhället varken råd att låta fimparna ligga kvar i naturen eller att plocka upp alla från densamma. Kemiskt och estetiskt såväl som ekonomiskt är fimp­ned­skräpningen ett dåtida, ett nutida och ett framtida problem. Lösningsförslag handlar ofta om restriktioner, ökade investeringar i renhållning eller tillgänglighet. Men en skräpig miljö behöver inte fler skräpinsamlare och botskrivare, utan färre nedskräpare. Filtren på cigaretter består av en plast kallad cellulosaacetat. Pressas de ihop ordentligt är de­formationen plastisk, ett faktum efter utförda experiment. Det konstaterades att bestående tryckmönster i relief kan inpräntas i fimparnas filterplast. Detta ska uppfyllas via mobila ask­koppar, kallade LitterPress. Dessa släcker, kom­primerar och förvarar fimpar samtidigt som de omvandlar dess filter till lottsedlar. Vid användning märks filtren med respektive rökares person- eller telefonnummer i ett pressmoment. Alla ciga­retter är därmed potentiella lotter som kan spåras tillbaka till inlämnarna. Förslaget uppmuntrar rökarna att tömma sina mobila askkoppar i numrerade stationära ask­koppar, kallade LitterBox. Dessa fördelar slump­mässigt fimparna mellan två fack, ett huvudfack där de flesta hamnar och ett mindre fack där betydligt färre hamnar. Varje vecka slumpar ett dataprogram fram ett nummer mellan 1 och antalet uppsatta stationära askkoppar. De som har märkta fimpar, i den utlottade stationära ask­koppens mindre fack, erhåller en kännbar ekonomisk utdelning. Det ska gå att tilldela en eventuell utdelning till en specifik verksamhet. Detta uppfylls genom att den mobila askkoppen ställs in på att märk­a filtren med ett organisationsnummer. Oberoende av märkning kan det parallellt ske en fortlöpande utdelning till välgörande ända­mål, där en bestämd summa skänks för varje fimp i det mindre facket. Detta utgör konceptet Litter­Lott, ett skräplotteri med LitterPress och LitterBox som kompo­nenter. Alla deltagare har en chans att ta del av de skräpkostnader och miljöbelastningar de besparar samhället. Innovativt och pedagogiskt ökar medvetenheten kring både återvinning och kostnader kopplade till nedskräpning. En hemsida annonserar aktuell LitterBox och veckans ”återvinnare”. Där ska det gå att regi­strera medlemskap, följa utvecklingen av LitterLott och delta i ämnes­relaterade diskussioner. Företag, kommunala verksamheter, stiftelser och organisationer kan också anmäla sitt intresse i att vara med och samarbeta för en mer hållbar miljö. Projektets intention är att väcka debatt med fokus på viktiga frågor angående miljö, nedskräp­ning och återvinning. Frågor som är relevanta i dagens samhälle och nödvändiga för morgon­dagens. / Butt littering is a problem in several ways. The filter of the cigarette butts have long degrada­tion time and contain cadmium, a heavy metal stored in organic tissues. With a large fraction of the total amount of litter the society can neither afford to ignore or collect every cigarette butt dropped in the environment. Chemically and esthetically as well as economi­cally butt littering is a past, a present and a future problem. Suggestions of solutions often in­volve re­strictions, increased investments in cleaning efforts or in accessibility. But a littered environ­ment doesn’t need more bins or stricter laws, it needs less littering. Cigarettes have filters that contain a plastic fiber called cellulose acetate. If they are enough compressed the deformation is plastic, a fact after empirical experiments. Definite permanent patterns in relief could be formed within the plastic fiber of the filters. This will be achieved through mobile ashtrays, called LitterPress. These stub out, compress and store cigarette butts along with transforming its filters to lottery tickets. In use, a press motion marks the filters with the social security number or the phone number of each user respectively. In other words, all cigarettes are potential lottery tickets which can be traced to its recycler. The proposition encourages the smokers to empty their mobile ashtrays into numbered sta­tionary ashtrays, called LitterBox. These will randomly di­vide the butts between two com­partments. One is large where the majority end up and one is small, enclosing significantly fewer. A computer program will weekly and randomly pick a number between 1 and the num­ber of stationary installed ashtrays. Those who have their marked cigarette butts in the smaller compartment, of the stationary ashtray of the week, will collect a noticeable economic payoff. There will be possible to allocate any payoff to a specific business. This is done by adjusting the mobile ashtray to mark the filters with an organization number. Irrespective of marking there can also be a continuously payoff to charity, where a fixed amount is allocated for each cigarette butt in the smaller compartment. In action the two physical products are components in the concept of LitterLott, a lottery out of litter. Participants have a chance to receive a part of the litter ex­penses and environmental impositions they spare the society. In an innovative and pedagogic way the awareness in­creases around recycling and what the costs are to refrain. A homepage will announce current LitterBox along with the fortunate recyclers. One may register membership, follow the development of LitterLott and participate in discussions re­lated to the subject. Also companies, municipal businesses and organizations can declare their interests in being a part of the concept and co­operate towards a healthier environment. The intention is to start a debate focusing on important environmentally related questions, litter­ing in general and recycling. Those questions are relevant in today’s society and neces­sary for tomorrows.