Cosmological Evolution of Glueball Dark Matter in Dark Yang-Mills Sectors
(2026) FYSK04 20261Department of Physics
Particle and nuclear physics
- Abstract
- This thesis investigates the possibility of dark matter arising from a confining dark SU(N) Yang-Mills sector with N=3,4,5. First, standard results from the established single-scalar-glueball framework are reviewed and numerically reproduced in order to follow the cosmological evolution through the confinement phase transition and extract the relic abundance. The results reproduce the expected qualitative behaviour for the relic abundance which shows that glueballs could account for the totality of dark matter. The analysis is then extended at an exploratory level to a two-glueball effective theory which contains scalar and pseudoscalar degrees of freedom. For this two-field case, coupled equations of motion are solved for benchmark... (More)
- This thesis investigates the possibility of dark matter arising from a confining dark SU(N) Yang-Mills sector with N=3,4,5. First, standard results from the established single-scalar-glueball framework are reviewed and numerically reproduced in order to follow the cosmological evolution through the confinement phase transition and extract the relic abundance. The results reproduce the expected qualitative behaviour for the relic abundance which shows that glueballs could account for the totality of dark matter. The analysis is then extended at an exploratory level to a two-glueball effective theory which contains scalar and pseudoscalar degrees of freedom. For this two-field case, coupled equations of motion are solved for benchmark parameter choices. Since the two-field temperature potential is not yet lattice calibrated, and since the late-time oscillatory regime is numerically stiff, the calculations are not yet precise relic-density predictions. Instead, the two-field result should be interpreted as diagnostic evidence for the qualitative dynamics of coupled glueball dark matter and as motivation for improved numerical treatment. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Den materia vi känner till, atomerna som bygger upp planeter, stjärnor, gasmoln och galaxer, utgör bara en liten del av universums totala energiinnehåll. Resten består till största del av mörk materia och mörk energi. Mörk materia är materia som inte kan observeras med ljus, men vars gravitationella påverkan är nödvändig för att förklara hur galaxer roterar, hur galaxhoper hålls samman och hur strukturer i universum har vuxit fram.
I detta arbete undersöks en möjlig förklaring till mörk materia baserad på en så kallad mörk Yang-Mills-teori. Yang-Mills-teorier är gaugeteorier som baseras på symmetrigrupper av typen SU(N). En välkänd sådan Yang-Mills-teori är den SU(3)-teori som i standardmodellen beskriver hur den starka kraften binder... (More) - Den materia vi känner till, atomerna som bygger upp planeter, stjärnor, gasmoln och galaxer, utgör bara en liten del av universums totala energiinnehåll. Resten består till största del av mörk materia och mörk energi. Mörk materia är materia som inte kan observeras med ljus, men vars gravitationella påverkan är nödvändig för att förklara hur galaxer roterar, hur galaxhoper hålls samman och hur strukturer i universum har vuxit fram.
I detta arbete undersöks en möjlig förklaring till mörk materia baserad på en så kallad mörk Yang-Mills-teori. Yang-Mills-teorier är gaugeteorier som baseras på symmetrigrupper av typen SU(N). En välkänd sådan Yang-Mills-teori är den SU(3)-teori som i standardmodellen beskriver hur den starka kraften binder ihop kvarkar och gluoner till hadroner. Hadroner bildas på grund av att partiklar med färgladdning måste existera som färglösa sammansatta partiklar. En av gluonernas viktiga egenskaper är därmed att de själva bär på färgladdning, vilket gör att de kan interagera med varandra och bilda bundna tillstånd som kallas gluonbollar. En föreslagen mörk Yang-Mills sektor som ger upphov till mörka gluonbollar som endast interagerar svagt med synlig materia är därmed troliga kandidater för mörk materia.
I det tidiga universum var temperaturen så hög att de mörka gluonerna kunde existera som en varm gas. När universum expanderade och därmed kyldes ned genomgick den mörka sektorn en fasövergång där gluonerna bands samman till gluonbollar. I denna uppsats studeras hur ett sådant fält utvecklas kosmologiskt genom fasövergången och hur mycket mörk materia som blir kvar idag. Först behandlas en modell med en skalär gluonboll för gaugegrupperna SU(3), SU(4) och SU(5). Därefter undersöks en mer preliminär två-gluonbollsmodell med både skalära och pseudoskalära frihetsgrader. Den senare delen är utforskande och visar framför allt vilka teoretiska och numeriska problem som måste lösas innan en precis beräkning av reliktätheten kan göras. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9233988
- author
- Geimer, Calla LU
- supervisor
- organization
- course
- FYSK04 20261
- year
- 2026
- type
- M2 - Bachelor Degree
- subject
- keywords
- Dark Matter, Yang-Mills theory, confinement, cosmological, phase transition
- language
- English
- id
- 9233988
- date added to LUP
- 2026-06-09 13:59:09
- date last changed
- 2026-06-09 13:59:09
@misc{9233988,
abstract = {{This thesis investigates the possibility of dark matter arising from a confining dark SU(N) Yang-Mills sector with N=3,4,5. First, standard results from the established single-scalar-glueball framework are reviewed and numerically reproduced in order to follow the cosmological evolution through the confinement phase transition and extract the relic abundance. The results reproduce the expected qualitative behaviour for the relic abundance which shows that glueballs could account for the totality of dark matter. The analysis is then extended at an exploratory level to a two-glueball effective theory which contains scalar and pseudoscalar degrees of freedom. For this two-field case, coupled equations of motion are solved for benchmark parameter choices. Since the two-field temperature potential is not yet lattice calibrated, and since the late-time oscillatory regime is numerically stiff, the calculations are not yet precise relic-density predictions. Instead, the two-field result should be interpreted as diagnostic evidence for the qualitative dynamics of coupled glueball dark matter and as motivation for improved numerical treatment.}},
author = {{Geimer, Calla}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Cosmological Evolution of Glueball Dark Matter in Dark Yang-Mills Sectors}},
year = {{2026}},
}