Earth-stopping of millicharged dark matter

Abstract

ABSTRACT: One of the most prominent open problems in modern cosmology is the identification of the nature of Dark Matter (DM), a kind of matter which is apparently invisible and only manifests itself strongly through gravitational effects which have had the scientific community intrigued throughout the past few decades. Up to now, no Standard Model particle has been able to fully describe the properties of DM so, at the moment, there are plenty of beyond Standard Model particles proposed as candidates to be constituents of DM. In particular this project is focused on one of them: millicharge DM particles, which have a very small electric charge, much smaller than that of an electron. The existence of these particles within the DM Halo surrounding our Galaxy would mean that there exists a certain flux of millicharged DM (mcDM) which is going through the Earth, and right into our detectors. In its path, the DM particles may interact with the different nuclei species on Earth, which makes them slow down, or even stop. This ’Earth-stopping’ effect may give rise to an interesting new time-varying signals once the particles reach the detector so, in this project, the ’Earth-stopping’ effect is thoroughly studied in the framework of direct detection, by initially analyzing the situation for the conventional, electrically neutral DM, and then analyzing it for the millicharge case. Then, the time varying signals corresponding to both DM scenarios are calculated for detectors located at different places on Earth, and buried at different depths. The signals are compared, and it is discussed whether this is a valid comparison method.

RESUMEN: Una de las cuestiones abiertas más relevantes en la cosmología moderna es la identificación de la naturaleza de la Materia Oscura, un tipo de materia que es aparentemente invisible y que tan solo se manifiesta fuertemente mediante efectos gravitatorios, que han tenido a la comunidad científica intrigada durante décadas. Hasta ahora, no ha habido ninguna propuesta válida de partícula desde el Modelo Estándar, con lo que existen numerosas propuestas fuera de este modelo y, particularmente, este proyecto se centra en una de dichas propuestas: la materia oscura milicargada, una partícula con una carga eléctrica mucho más pequeña que la de un electrón. La existencia de estas partículas en el Halo de materia oscura que nos rodea significaría que existiría un cierto flujo de estas partículas atravesando la tierra, y llegando a nuestros detectores. En su camino, la partícula de materia oscura podría interactuar con los núcleos terrestres, de tal manera que pudiera ser frenada o incluso parada totalmente. Este ’efecto de frenado terrestre’ podría dar lugar a nuevas señales dependientes del tiempo una vez que las partículas frenadas llegaran a los detectores. En este proyecto este efecto de frenado se estudia concienzudamente en el marco de la detección directa de materia oscura, analizando primero la situación para materia oscura convencional, para luego pasar a la materia oscura milicargada. Luego, las señales temporales asociadas a cada uno de los dos escenarios se calculan para detectores en distintas localizaciones y profundidades. Las señales correspondientes se comparan, y se discute si esta manera es una forma válida de compararlas