Thesis:

Materia oscura y neutrinos en el modelo escotogénico con triplete escalar: scoto-triplet model

El Modelo Estándar de la física de partículas es una teoría altamente exitosa, pero presenta limitaciones significativas, como la ausencia de un mecanismo viable para la generación de masas de neutrinos y la falta de un candidato viable para la materia oscura. En este contexto, se ha propuesto el modelo Scototriplet, una extensión del modelo escotogénico que introduce un triplete escalar neutro, proporcionando un mecanismo radiativo para la generación de masas de neutrinos y candidatos a materia oscura de distinta naturaleza: triplete escalar, doblete escalar, mezcla triplete-doblete escalar y singlete fermiónico. En esta tesis, se ha realizado un análisis detallado del modelo Scototriplet, explorando su espacio de parámetros a través de simulaciones numéricas con herramientas como SARAH, MicrOmegas y SSP, y evaluando las restricciones tanto fenomenológicas como experimentales. Se ha demostrado que el acoplamiento trilineal h1, que involucra al doblete escalar, el triplete escalar y el bosón de Higgs, juega un rol central en la fenomenología del modelo. Este acoplamiento influye en la mezcla de los estados no físicos, modificando la estructura de la matriz de masa de los neutrinos y sus acoplamientos tipo Yukawa. Además, determina el grado de mezcla de la materia oscura, afectando el ajuste a la densidad de reliquia a través del Higgs portal, la sección eficaz de detección directa y el estudio del decaimiento de larga vida. Estas dependencias permiten evaluar regiones viables del espacio de parámetros bajo las restricciones impuestas por LZ y DARWIN. En el contexto de la materia oscura, esta tesis postula que la componente escalar neutra más ligera es una mezcla entre los escalares (χ1), siendo este estado un candidato viable a DM que cumple con las restricciones cosmológicas y de detección directa impuestas por experimentos como LZ y DARWIN. Además, se ha encontrado que el modelo permite el estudio de partículas de larga vida, a través del decaimiento Γ(χ+1 → χ01π+), proporcionando señales distintivas que podrían ser exploradas en colisionadores como el LHC y en experimentos específicos para LLPs, como MATHUSLA y FASER. Los resultados obtenidos posicionan al modelo Scototriplet como un buen escenario alternativo para explicar simultáneamente la generación de masas de neutrinos, la materia oscura y la fenomenología de partículas de vida larga. Estos hallazgos motivan estudios adicionales tanto teóricos como experimentales, con el fin de validar las predicciones del modelo y explorar su impacto en la búsqueda de nueva física más allá del Modelo Estándar.

The Standard Model of particle physics is a highly successful theory, but it has significant limitations, such as the absence of a viable mechanism for neutrino mass generation and the lack of a viable dark matter candidate. In this context, the Scototriplet model has been proposed, an extension of the scotogenic model that introduces a neutral scalar triplet, providing a radiative mechanism for neutrino mass generation and dark matter candidates of different natures: scalar triplet, scalar doublet, triplet-scalar doublet mixture, and fermionic singlet. In this thesis, a detailed analysis of the Scototriplet model has been carried out, exploring its parameter space through numerical simulations with tools such as SARAH, MicroOmegas, and SSP, and evaluating both phenomenological and experimental constraints. It has been shown that the trilinear coupling h1, involving the scalar doublet, the scalar triplet, and the Higgs boson, plays a central role in the model's phenomenology. This coupling influences the mixing of non-physical states, modifying the structure of the neutrino mass matrix and its Yukawa-type couplings. Furthermore, it determines the degree of dark matter mixing, affecting the fit to the relic density via the portal Higgs, the direct detection cross-section, and the study of long-lived decay. These dependencies allow for the evaluation of viable regions of parameter space under the constraints imposed by LZ and Darwin. In the context of dark matter, this thesis postulates that the lightest neutral scalar component is a mixture of the (χ1) scalars, making this state a viable dark matter candidate that satisfies the cosmological and direct detection constraints imposed by experiments such as LZ and Darwin. Furthermore, the model has been found to allow the study of long-lived particles through the decay Γ(χ+1 → χ01π+), providing distinctive signals that could be explored in colliders such as the LHC and in experiments specifically designed for LLPs, such as MATHUSLA and FASER. The results obtained position the Scototriplet model as a promising alternative scenario for simultaneously explaining neutrino mass generation, dark matter, and the phenomenology of long-lived particles. These findings motivate further theoretical and experimental studies to validate the model's predictions and explore its impact on the search for new physics beyond the Standard Model.