We give a general introduction to particle physics, and in particular to particlephysics in extra dimensions. Furthermore, we introduce the concept of dark matter(DM) and discuss some suggestions for what it originates from. Next, we calculatethe cross-section for DM annihilation in the framework of non-minimal universalextra dimensions. This process gives mono-energetic gamma-ray lines with energyclose to the DM particle mass. The calculations are performed for two different DMcandidates, U(1)Y-gaugebosonen B1 och den laddningsneutrala SU(2)L-gaugebosonen Z1. MM-kandidaten är alltid den lättaste partikeln inom den betraktade teorin. Störst  tvärsnitt får man när Z1 tas som den lättaste partikeln, och alltså som MM-kandidat, trots att den är tyngre än vad B1 är när den är tagen som teorins lättaste partikel. Anledningen till att tvärsnittet blir större för Z1 är att den har icke fösumbara självväxelverkningarr, vilket gör att många fler Feynmandiagram bidrar.

Dark matter has been inferred from various observations such as in galaxy clusters, flat galactic rotation curves, gravitational lensing measurements and the cosmic microwave background. Despite overwhelming observational evidence and ongoing searches, a clear signal of dark matter has not yet been detected. Searches for dark matter include direct detection of dark matter scattering off target nuclei in underground detectors and indirect detection of dark matter annihilation- and decay products. A promising way to detect these invisible particles is by capture of dark matter in the Sun. Dark matter from the galactic halo is assumed to scatter off solar nuclei and being captured provided that their velocities are smaller than the Sun's escape velocity. The captured particles are assumed to continuously scatter until reaching thermal equilibrium. As dark matter is accumulated in the Sun, they will start to annihilate. The resulting annihilation products are what we hope to detect on Earth. We review the capture rate of elastic and inelastic dark matter in the Sun and dark matter direct detection. Lower bounds on the solar capture rate for a given dark matter mass can be obtained independently of halo-related properties e.g., the dark matter velocity distribution and local density, if one assumes that a direct detection signal has been observed. These bounds can be compared to solar neutrino flux bounds in detectors to obtain limits on the branching fraction of annihilation of dark matter resulting in neutrinos. Lower bounds for the elastic and exothermic inelastic dark matter are computed assuming the Standard Halo Model. The exothermic bounds are strong and larger than the elastic bounds as well as those that would be obtained in the endothermic case. / Existensen av mörk materia har idag gjorts trolig genom t.ex. observationer av galaktiska kluster, galaktiska rotationskurvor, gravitationslinsmätningar och den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Trots ett stort antal observationer, så har vi emellertid inte lyckats detektera en tydlig signal för mörk materia. I sökandet ingår direkt detektion av kollisioner mellan mörk materia och atomkärnor i underjordiska detektorer samt indirekt detektion av dess annihilation- och sönderfallsprodukter. Ett särskilt lovande sätt, på vilket dessa osynliga partiklar kan tänkas detekteras, är genom infångning av mörk materia i solen. Mörk materia från den galaktiska halon antas då spridas på solatomkärnor och infångas förutsatt att deras hastighet är lägre än flykthastigheten från solen. De infångade partiklarna antas därefter kollidera tills dess att de uppnår termisk jämvikt. När mörk materia har ackumulerats i solen så börjar den att annihilera, och det är de resulterande annihilationsprodukterna som vi hoppas kunna detektera här på jorden. Vi undersöker infångning av elastisk och inelastisk mörk materia i solen och direkt detektion av mörk materia. Nedre gränser för solinfångning för en given mörk materiamassa kan erhållas oberoende av halo-relaterade egenskaper som t.ex. mörk materiahastighetsfördelning och lokal densitet, under antagandet att en direkt detektionssignal har observerats. Dessa gränser kan jämföras med flödeshastigheten av neutrinos från solen för att erhålla gränser för övergångssannolikheter för annihilation av mörk materia som resulterar i neutrinos. Nedre gränser för elastisk och exotermisk inelastisk mörk materia är beräknade genom att anta Standard Halo Modellen. De exotermiska gränserna är starka och högre än de elastiska gränserna såväl som de som skulle ha erhållits i det endotermiska fallet.

<p>Ett av de mest notoriska dilemman i dagens kosmologi är den mörka materians natur och dess förekomst i universum. Mot bakgrund av detta har nya forskningsdiscipliner med rötterna i Einsteins relativitetsteori växt fram, bl.a. teorin om gravitationslinser som möjliggör en indirekt observationsmetod av ljussvaga kompakta objekt som annars skulle vara mycket svåra eller omöjliga att upptäcka på traditionella vis, såsom svarta hål.</p><p>Via en genomgång av grundteorin för gravitationslinser, några enkla teoretiska studier och en grundläggande felmarginalsanalys illustreras hur olika typer av kompakta objekt i Vintergatans omedelbara omgivning kan ge upphov till vissa karakteristiska linsfenomen. Detta sätts i relation till rådande teorier om den tidigaste stjärnbildningen och de massiva kompakta rester som denna generation av mycket massiva stjärnor bör ha efterlämnat – i synnerhet <em>intermediära svarta hål</em> med massor på 100-1000 M_sol som ännu kan finnas i dagens mörka galaxhalor. Sådana objekt kan komma att upptäckas i betydligt högre grad i framtiden med de observationstekniker som är under utveckling idag. </p> / <p>One of the most notorious dilemmas in cosmology today is the nature of dark matter and its distribution in the universe. Due to this, new research disciplines originating from Einstein’s theory of relativity have emerged, among them the theory of gravitational lensing which makes it possible to indirectly observe faint compact objects that would otherwise be very difficult or impossible to discover with traditional means, up to and including black holes.</p><p>Through a rundown of the basic theory of gravitational lensing, a couple of simple theoretical models and an elementary error analysis, it is illustrated how different types of compact objects in the immediate vicinity of the Milky Way can yield various characteristic lensing phenomena. This is put in relation to contemporary theories regarding the earliest star formation and the massive compact remnants this generation of very massive stars should have left behind – particularly <em>intermediate black holes</em> with masses of 100-1000 M_sun that may still be found in dark galactic halos of today. Such objects can contribute to future observations carried out with the observational technology being developed at present.</p>

Ett av de mest notoriska dilemman i dagens kosmologi är den mörka materians natur och dess förekomst i universum. Mot bakgrund av detta har nya forskningsdiscipliner med rötterna i Einsteins relativitetsteori växt fram, bl.a. teorin om gravitationslinser som möjliggör en indirekt observationsmetod av ljussvaga kompakta objekt som annars skulle vara mycket svåra eller omöjliga att upptäcka på traditionella vis, såsom svarta hål. Via en genomgång av grundteorin för gravitationslinser, några enkla teoretiska studier och en grundläggande felmarginalsanalys illustreras hur olika typer av kompakta objekt i Vintergatans omedelbara omgivning kan ge upphov till vissa karakteristiska linsfenomen. Detta sätts i relation till rådande teorier om den tidigaste stjärnbildningen och de massiva kompakta rester som denna generation av mycket massiva stjärnor bör ha efterlämnat – i synnerhet intermediära svarta hål med massor på 100-1000 Msol som ännu kan finnas i dagens mörka galaxhalor. Sådana objekt kan komma att upptäckas i betydligt högre grad i framtiden med de observationstekniker som är under utveckling idag. / One of the most notorious dilemmas in cosmology today is the nature of dark matter and its distribution in the universe. Due to this, new research disciplines originating from Einstein’s theory of relativity have emerged, among them the theory of gravitational lensing which makes it possible to indirectly observe faint compact objects that would otherwise be very difficult or impossible to discover with traditional means, up to and including black holes. Through a rundown of the basic theory of gravitational lensing, a couple of simple theoretical models and an elementary error analysis, it is illustrated how different types of compact objects in the immediate vicinity of the Milky Way can yield various characteristic lensing phenomena. This is put in relation to contemporary theories regarding the earliest star formation and the massive compact remnants this generation of very massive stars should have left behind – particularly intermediate black holes with masses of 100-1000 Msun that may still be found in dark galactic halos of today. Such objects can contribute to future observations carried out with the observational technology being developed at present.

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. ${10}^{-8.7}&lt;k_{DM}&lt;="" div=""&gt; / I denna studie undersöker vi mycket svagt interagerande massiva partiklar (FIMP) som möjliga kandidater till den observerade mängden av mörk materia i universum. FIMP:er är partiklar som interagerar väldigt svagt med de kända partiklarna i Standarmodellen (SM). Som sådana uppnår de ej termisk jämvikt med den baryonrika omgivningen i det tidiga universumet innan nukleosyntes sker. I kontrast med en frys-ut mekanism vanligt för svagt interagerade massiva partiklar (WIMPS) som DM kandidater, så produceras FIMP:er av en så kallad frys-in mekanism som vi skall beskriva i denna studie. Syftet med studien är att undersöka hur Coleman Weinberg (C-W) mekanismen påverkar frys-in mekanismen för FIMP:er. Vi tar särskilt hänsyn till en minimal utvidgning av SM i vilken en Elektrosvag singlettskalär ($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}&lt;k_{DM}&lt;="" div=""&gt;

This thesis uses theoretical studies, and numerical simulations to provide results of the experimental reach to detect the QCD axion as dark matter in a Non-standard cosmological background. Assuming that the QCD axion constitutes the full CDM abundance of the universe, this thesis elaborates on its potential detection from experimental setups for the mass window of the axion. The set of results that is obtained here are the relic CDM energy density of axions produced by the vacuum realignment mechanism and the CDM energy density of axions produced from the decay of a network of cosmic strings. This thesis provides results regarding the possibility to detect a primordial gravitational wave relic, which is possible within some favorable cosmological scenarios for the background.