Variazioni sul freeze-out di materia oscura

Dark Matter (DM) is a fundamental problem in modern physics. The presence of different gravitational phenomena, which exhibit behaviors differing from those predicted by the theory of General Relativity (GR), leads to two possibilities for fundamental physics: to hypothesize that GR is an approximation of a more general theory or to assume the presence of undetected matter to account for the observed behavior. Given the countless tests that have validated GR with great precision and the issues faced by modified gravity theories (such as their inability to explain all problematic observations), the second option currently seems more probable. Given this assumption, the choice still leaves the field broad, as numerous models of particles —and not just particles—have been developed to explain the presence of unobserved gravity- interacting matter. In this thesis, we first provide strong observational evidences for the necessity of assuming the existence of Dark Matter. Secondly, we give a brief introduction to what is known about Dark Matter. Assuming the Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) model, we then proceed to derive the Boltzmann equation. Finally, we discuss the case where a pole is present in the annihilation cross-section.

La materia oscura rappresenta un problema centrale nella fisica moderna. La presenza di diversi fenomeni gravitazionali, che mostrano comportamenti differenti rispetto a quelli previsti dalla teoria della Relatività Generale (RG), porta a due possibilità la fisica fondamentale: ipotizzare che la RG sia un'approssimazione di una teoria più generale o assumere la presenza di materia non rilevata per spiegare il comportamento osservato. Dato il grandissimo numero di test che hanno validato la RG con grande precisione e le difficoltà presenti nelle teorie della gravità modificata (come la loro incapacità di spiegare tutte le osservazioni problematiche), la seconda opzione attualmente sembra più probabile. Data questa assunzione, la scelta lascia comunque aperto un ampio campo di ricerca, poiché sono stati sviluppati numerosi modelli di particelle —e non solo particelle— per spiegare la presenza di materia non osservata che interagisce gravitazionalmente. In questa tesi, forniamo innanzitutto solide prove osservative della necessità di assumere l'esistenza della materia oscura. In secondo luogo, presentiamo una breve introduzione a ciò che è noto sulla materia oscura. Assumendo il modello delle particelle massive debolmente interagenti (WIMPs), procediamo quindi a derivare l'equazione di Boltzmann. Infine, discutiamo il caso in cui è presente un polo nella sezione d'urto di annichilazione.