Search for Dark Matter with High-Energy Neutrinos

Abstract

Esp. Version: En esta tesis estudiamos la señal en neutrinos que produciría materia oscura de tipo WIMP, analizando el problema de un modo tanto fenomenológico como experimental. En el apartado fenomenológico, caracterizamos los flujos de alta energía de neutrinos que pueden ser un fondo para estas búsquedas. Éstos son el flujo atmosférico y el producido por las cascadas de partículas provocadas por rayos cósmicos que bombardean la superficie del Sol. Desarrollamos un modelo teórico que nos permite correlacionar este último con un flujo en neutrones y rayos gamma; encontrando que este último ha sido medido por diversos experimentos (Fermi-LAT, HAWC). Posteriormente, desarrollamos un modelo de materia oscura que interactúa con un neutrino pesado y con el Modelo Estándar de partículas a través de un Higgs-Portal. Este modelo da una señal óptima para ser buscada en telescopios de neutrinos a la vez que permite reproducir la abundancia reliquia necesaria para la materia oscura. En la parte experimental analizamos un set de datos del telescopio de neutrinos KM3NeT/ORCA en su configuración de 6 líneas para buscar neutrinos provenientes de aniquilación de pares de materia oscura. Nuestros resultados muestran que no se ha encontrado señal entre los datos; sin embargo, este resultado permite establecer cotas o límites a la sección eficaz de colisión entre la materia oscura y la materia bariónica que son competitivos con los de otros experimentos. Eng. Version: In this thesis, we study the neutrino signal that would be produced by WIMP-like dark matter particle, both phenomenologically and experimentally. In the phenomenological section, we characterize high-energy neutrino fluxes that could serve as backgrounds for these searches. These include the atmospheric flux and the flux produced by showers originated by cosmic rays bombarding the surface of the Sun. We develop a theoretical model that allows us to correlate the latter with a flux of neutrons and gamma rays; finding that the latter has been measured by various experiments (Fermi-LAT, HAWC). Subsequently, we develop a dark matter model that interacts with a heavy neutrino and with the Standard Model of particles through a Higgs Portal. This model provides an optimal signal to be searched for in neutrino telescopes while also allowing the reproduction of the relic abundance necessary for dark matter. In the experimental part, we analyze a dataset from the KM3NeT/ORCA neutrino telescope in its 6-line configuration to search for neutrinos from the annihilation of dark matter pairs. Our results show that no signal has been found in the data; however, this outcome allows us to establish constraints or limits on the cross-section for collision between dark matter and baryonic matter that are competitive with those from other experiments.