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Abstract

Sterile neutrino with a mass of O(keV) is a well-motivated candidate to play the role of dark matter (DM), one of the most abundant constituents of our Universe whose nature remains still unknown. It arises as a natural and straightforward extension of the particle content of the standard model (SM), it is neutral under all SM charges, it can be stable over cosmological time scales, and it can be produced in adequate amount in the early Universe to account for today’s DM abundance. In this thesis, we study sterile neutrinos as DM candidates produced in the early Universe through oscillation and collisions induced by their mixing with one of the active neutrino species, i.e. in the framework of the Dodelson-Widrow and the Shi-Fuller mechanisms. In particular, we investigate the parameter space of sterile neutrinos in two non-standard scenarios. The first scenario studied is a non-standard cosmological scenario in which the production of sterile neutrinos is delayed and starts at a critical temperature associated with a low reheating temperature of the Universe or with a dynamical change in the sterile neutrino mass. Here, we show that the discovery potential in terrestrial experiments is considerably enhanced. In the second scenario, the production through the Dodelson- Widrow mechanism is modified by non-standard interactions among active neutrinos. An effective formalism to include such neutrino non-standard self-interactions in the DM production is developed, and the sensitivity of the HUNTER experiment to this specific model is highlighted. At the same time, we demonstrate that the stringent limit on sterile neutrino DM coming from observations in the X-ray band should be considered model-dependent and can be relaxed in different ways, thereby letting open a window in the parameter space of utmost interest for experimental searches.

Translation of abstract (German)

Sterile Neutrinos im keV-Massenbereich bilden eine Klasse gut motivierter Kandidaten für die Rolle der dunklen Materie (DM), einem der häufigsten Bestandteile unseres Universums, dessen Natur noch immer unbekannt ist. Sie stellen eine natürliche und einfache Erweiterung des Teilcheninhalts des Standardmodells der Teilchenphysik (SM) dar, sind unter allen SM-Ladungen neutral, können über kosmologische Zeitskalen hinweg stabil sein und sowie im frühen Universum in ausreichender Menge produziert werden, um die heutige Menge von DM zu erklären. In dieser Arbeit untersuchen wir sterile Neutrinos im DM-Kontext, die im frühen Universum durch Oszillation und Kollisionen erzeugt wurden und in ihrer Mischung mit einer der aktiven Neutrinoflavor begründet ist, d.h. im Rahmen des Dodelson-Widrow- und des Shi-Fuller- Mechanis- mus. Insbesondere betrachten wir den Parameterraum der sterilen Neutrinos in zwei Nicht-Standard-Szenarien. Im ersten untersuchten Szenario ist die Produktion von sterilen Neutrinos verzögert und beginnt erst bei einer kritischen Temperatur, die mit einer niedrigen Wiedererwärmungstemperatur des Universums oder einer dynamischen Änderung der sterilen Neutrinomasse verbunden ist. Hier zeigen wir, dass das Ent- deckungspotenzial in terrestrischen Experimenten erheblich gesteigert wird. Im zweiten Szenario wird die Produktion durch den Dodelson-Widrow-Mechanismus durch Nicht- Standardwechselwirkungen zwischen aktiven Neutrinos modifiziert. Weiter wird ein effektiver Formalismus entwickelt, um solche Neutrino- Selbstwechselwirkungen in die DM-Produktion einzubeziehen, und die Empfindlichkeit des HUNTER- Experiments für dieses spezielle Modell wird hervorgehoben. Gleichzeitig zeigen wir, dass die starke Grenze für sterile Neutrinos als DM-Kandidaten, die sich aus Beobachtungen im Rönt- genbereich ergibt, als modellabhängig betrachtet werden sollte und auf verschiedene Weise gelockert werden kann. Hierdurch wird ein Fenster im Parameterraum geöffnet wird, welches für die experimentelle Suche nach DM von größtem Interesse ist.