Beyond the Standard Theories of Fundamental Interactions

Beyond the Standard Theories of Fundamental Interactions. The status quo of fundamental physics is the Standard Model (SM) of particle physics and General Relativity (GR). While both theories separately are able to describe a wide range of phenomena in their respective domain to high accuracy, there are problems which arise solely when the two are coupled. Examples include the cosmological constant problem, baryogenesis or the absence of a suitable dark matter (DM) candidate in the SM. In this thesis, several solutions are presented and discussed. One is Bimetric Gravity, a modification of GR which breaks the assumption that one single, massless spin-2 object acts as its force carrier. Original results are presented on the phenomenology of the massive graviton, where we analyse the modified propagation of gravitational waves and set competitive bounds on the graviton mass. Furthermore, the cosmological history of the model is investigated, incorporating data from baryon acoustic oscillations, quasars, supernovae and the cosmic microwave background. As a competing theory, we review Conformal Gravity, which is put to the same cosmological tests. A complementary approach to the solution of the DM problem is a Dark Sector beyond the SM. We motivate and present a detailed analysis of the physics of Dark Sectors, which obey an approximate scale invariance. Using effective field theory techniques and properties of operators fixed by conformal symmetry, we are able to put model-independent bounds on a class of Dark Sectors. Their phenomenology is tested against a large array of terrestrial and celestial observations.

Oltre le Teorie Standard delle Interazioni Fondamentali. Lo status quo della fisica fondamentale è il Modello Standard (SM) e la Relatività Generale (GR). Mentre entrambe le teorie sono in grado di descrivere separatamente una vasta gamma di fenomeni nel loro rispettivo dominio di validità con elevata precisione, ci sono problemi che sorgono solo quando le due sono accoppiate. Come esempio, si consideri il problema della costante cosmologica, la bariogenesi o l’assenza di un candidato di materia oscura (DM) nello SM. In questa tesi vengono presentate e discusse diverse soluzioni. Una è la teoria di Bimetric Gravity, un’estensione naturale della gravità massiva, una modificazione della GR che modifica l’ipotesi di un gravitone di spin-2 senza massa. Saranno presentati risultati sulla fenomenologia del gravitone massivo, dove analizziamo la propagazione modificata delle onde gravitazionali e stabiliamo dei limiti competitivi sulla massa del gravitone. Inoltre, viene studiata la storia cosmologica di Bimetric Gravity, incorporando dati delle oscillazioni acustiche barioniche (BAO), dei quasar, delle supernovae e della radiazione cosmica di fondo. Come teoria concorrente, esaminiamo la Gravità Conforme, che viene sottoposta agli stessi test cosmologici. Un approccio ortogonale alla soluzione del problema della DM è un Settore Oscuro oltre lo SM. Motiviamo e presentiamo un’analisi dettagliata della fisica dei Settori Oscuri, che obbediscono ad un’invarianza approssimativa di scala. Utilizzando tecniche di teoria di campo efficace e proprietà degli operatori fissate dalla simmetria conforme, siamo in grado di porre dei limiti indipendenti dal modello su una classe di Settori Oscuri. La loro fenomenologia è testata con una vasta gamma di osservazioni terrestri e celesti.