Dark matter: crossroads of theory and experiments

The quest to understand the fundamental laws and constituents of the Universe has resulted in the incredibly successful Standard Model (SM) of particle physics. While the SM accounts for the la- boratory measurement to a phenomenal accuracy, it explains only 5% of the observed Universe. The exact properties of the rest of the 95% of the Universe and the laws which govern it are largely unknown. Dark Matter (DM) forms about 20% of this unknown Universe and it is primarily respon- sible for the formation of structure via its gravitational interactions. So far, we have observed evi- dence of DM via these gravitational interactions over a wide spectrum of observations ranging from the analysis of leftover radiation from the early Universe, known as the Cosmic Microwave Back- ground Radiation, to the motion of stars in galaxies. Despite enormous efforts to identify the parti- cle properties of this non-luminous, gravitating component of the Universe, little is known about its precise particle physics properties. The existence of DM has resulted in one of the strongest moti- vations for physics beyond the Standard Model. My research program aims at understanding the theoretical properties of DM based on all relevant experimental results, and I will also develop new ways in which the experimental physicists can look for DM. The Large Hadron Collider (LHC) located at CERN, Geneva, has recently started to operate in the uncharted high energy regime of 13 TeV collisions. The data will lead to a new un- derstanding of particle physics and will be used to search for new particles, including DM candi- dates. Along with the LHC, several other experiments are also looking for a signal of DM in under- ground laboratories or via satellite observations. If we observe a signal in these experiments, does it conclusively determine the particle physics properties of DM? Which theoretical scenarios can we rule out? How can we further constrain viable scenarios and what are the next steps if experi- ments do not find a signal of DM? I am interested in finding answers to these questions. During my research program, I will investigate the consequences of the latest experimental results for several types of DM scenarios. DM particles can interact only with SM particles, or also with themselves. These two scenarios lead to very different signatures at the LHC. I will perform a de- tailed analysis of the two types of interactions and understand how we can search for them at the LHC. We live in an era where experimental results and theoretical scenarios are strongly interlinked. This can be efficiently exploited by developing close collaborations between experimentalists and theorists - an important dimension of my research. Working with the experimentalists, I devise new methods to look for DM. The software tools I develop to analyse the experimental data efficiently and universally will be publicly available and constitute an important contribution to the research in this field.

Unser Universum enthält eine große Menge unsichtbarer Materie, die durch ihre Gravitation gefühlt, aber mit bestehenden Experimenten nicht gesehen werden kann. Diese Materie wird Dunkle Materie genannt. Derzeit gibt es im Standardmodell der Teilchenphysik keine Erklärung für Dunkle Materie, und daher sind neue Theorien notwendig, um die astrophysikalischen Beobachtungen zu erklären. Theoretische Physiker haben eine Vielzahl neuer Theorien entwickelt, die die beobachtete Menge an Dunkler Materie erklären können. In Experimenten wird nach solchen Theorien gesucht und deren Ergebnisse informieren uns über die Realisierbarkeit neuer Theorien. Mein Projekt konzentrierte sich auf das Zusammenspiel verschiedener Theorien der Dunklen Materie und den Einfluss experimenteller Ergebnisse. Insbesondere wurden drei verschiedene Aspekte untersucht. Im ersten Teil habe ich bestehende Werkzeuge verbessert um experimentelle Ergebnisse des LHC's (Large Hadron Collider) zu nutzen. Ich habe diese Werkzeuge anderen Mitgliedern der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt. Im zweiten Teil haben ich mit den Experimentalphysikern des LHC zusammengearbeitet. Solche Kooperationen sind notwendig, da theoretische Modelle oft nicht trivial sind und effektive Suchen entwickelt werden können, wenn Theorie und Experiment zusammenarbeiten. Wir haben einen neuen Weg entwickelt, um nach Partikeln zu suchen, die für die Wechselwirkungen zwischen dem Standardmodell und dunkler Materie verantwortlich sind. Im letzten Teil des Projekts habe ich mich mit den astrophysikalischen Eigenschaften der Dunklen Materie beschäftigt. Dunkle Materie kann mit sich selbst und mit den Teilchen des Standardmodells interagieren. Diese zwei Arten von Wechselwirkung führen zu erheblichen Einschränkungen auf die Theorien zur Dunklen Materie. Ich habe gezeigt, dass die Kombination von Wechselwirkungen der Dunklen Materie mit sich selbst und mit den Teilchen des Standardmodells langlebige Teilchen in den einfachsten Modellen generisch vorhersagen kann. Solche langlebige Teilchen werden, wenn sie experimentell gefunden werden, aufregende Aussichten für Fortschritte beim Verständnis der Dunklen Materie mit sich bringen. Ich habe daher verschiedene Wege entwickelt, um das Gebiet der Dunklen Materie voranzutreiben. Ich habe gezeigt, wie man Ergebnisse des LHC nutzen kann, die bisher schwer zu verstehen sind. Ich habe gezeigt, wie wichtig es ist, mit den Experimentalphysikern zusammenzuarbeiten, und mit ihnen zu kommunizieren. Und schließlich habe ich gezeigt, wie unser vorhandenes Wissen über die Wechselwirkungen dunkler Materie mit sich selbst und mit den Teilchen des Standardmodells die theoretischen Modelle formen kann. Das Verständnis der Natur der Dunklen Materie ist ein bislang ungelöstes Problem. Da Dunkle Materie auf astrophysikalischen Skalen beobachtet wird und auch bei Experimenten auf der Erde gesucht werden kann, ist es essentiell eine Vielzahl an Experimenten und Ansätzen zu kombinieren, um die Natur der dunklen Materie zu enthüllen. Mein Richter-Projekt hat dazu beigetragen, dieses Ziel zu erreichen.