The Sun as a laboratory of particle physics

Abstract

El Sol és l'estrella més estudiada i coneguda. L'estructura solar, revelada gràcies a l'heliosismologia i els neutrins solars, està ben determinada i els models solars donen informació sobre el seu passat, present i futur. Aquests models solars són útils a l'hora de descriure l'interior solar, i a la vegada proporcionen un ample coneixement cap a altres disciplines, com per exemple, la física de partícules fora del model estàndard. De fet, les condicions extremes a l'interior solar permeten estudiar processos físics en unes condicions que són molt difícils de reproduir en experiments terrestres. Com a conseqüència, el Sol és un potent laboratori per examinar física de partícules. En particular, el Sol ofereix possibilitats molt interessants per estudiar partícules lleugeres, que interaccionen feblement i que sorgeixen d'extensions del model estàndard de partícules per poder respondre algunes de les preguntes sense resposta de la física fonamental, com per exemple, la natura de la matèria fosca.

L'objectiu principal d'aquesta tesi és estudiar l'impacte que aquestes partícules produeixen a l'estructura solar utilitzant models solars. A partir d'aquests canvis, l'objectiu és establir límits restrictius en les propietats de les particules estudiades, utilitzant la informació donada per l'heliosismologia i els neutrins solars.

Per poder assolir aquest objectiu, és important tenir models solars realistes que reprodueixin les observacions solars. Amb aquesta motivació, aquesta tesi presenta una nova generació de Models Estàndards solars que inclouen actualitzacions recents d'algunes de les velocitats de reacció nuclears més importants. A més a més, aquests models també inclouen errors actualitzats que han estat calculats utilitzant diferents simulacions de Monte-Carlo i també contenen un innovador i flexible tractament de les incerteses en les opacitats. De fet, les opacitats radiatives són una de les possibles solucions al \emph{problema de les abundàncies solars}, que és el conflicte entre les prediccions heliosísmiques dels models i les observacions quan noves publicacions de composicions solars són utilitzades per calcular els models solars, en contrast amb el bon acord que s'obté quan s'utilitzen les composicions solars més antigues i basades en models d'atmosferes més simples. Per tant, és important entendre la situació actual de les opacitats radiatives i les seves incerteses associades.

Les incerteses actuals en la composició solar i les opacitats poden ser pal·liades per estudis de física de partícules que no depenen del coneixement detallat de la composició solar interna. Amb aquest propòsit, es presenta el model més ben ajustat, un model que reprodueix les observacions solars de la millor manera possible utilitzant paràmetres inicials d'evolució realistes.

Finalment, en aquesta tesi es presenta un nou mètode estadístic que combina l'heliosismologia i els neutrins solars que és utilizat per establir límits superiors a les propietats dels axions, dels fotons obscurs i de les partícules minicarregades. Per primer cop, s'han establert restriccions en les propietats d'aquestes partícules utilitzant un mètode que combina totes les observacions solars disponibles. A més a més, el fet que el model més ben ajustat sigui la base del mètode estadístic, fa que els resultats siguin sòlids i independents del \emph{problema de les abundàncies solars}. Els límits obtinguts són: per la constant d'acoblament axió-fotó, $g_{10} < 4.1$ a 3 C.L., pel producte entre la constant de mescla cinètica i la massa del fotó obscur, $\chi m < 1.8 \cdot 10^{-12}~\rm{eV}$ a 3 C.L. i per la càrrega de la partícula minicarregada, $\epsilon=2.2 \cdot 10^{-14}$ a 2 C.L. per masses en el rang de $m_f = 0 - 25~\rm{eV}$. Per tots els casos, els resultats són fins a un factor 2 més restrictius que els límits solars que s'han obtingut fins ara, i per els fotons obscurs i les partícules minicarregades són més restrictius que qualsevol dels límits establerts prèviament.

The Sun is by far the most studied star. The solar structure, revealed by helioseismology and solar neutrinos, is well determined, and accurate solar models give information about the past, present and the future of the Sun. These solar models, or Standard Solar Models (SSM), are useful for describing the solar interior, and at the same time provide a deeper knowledge on other disciplines, such as stellar structure and evolution, particle physics and even non-standard physics. In fact, the extreme conditions of the solar interior allow studying physics in environments that are hard to reproduce in earth-based experiments. Consequently, the Sun is a powerful laboratory to test non-standard particle physics. In particular, the Sun offers very interesting possibilities for studying weakly interacting light particles that arise from extensions of the Standard Model of particles to address some of the open questions in fundamental physics, such as the nature of dark matter.

The main goal of this thesis is to use solar models to study the impact of different types of weakly interacting particles on the solar structure. Then, based on the structural changes they produce, the goal is to set the most restrictive bounds to properties of these particles using solar data from helioseismology and neutrinos.

In order to pursue this goal, it is important to have realistic solar models that reproduce the available observations. Motivated by this fact, this thesis presents a new generation of SSMs that includes recent updates on some important nuclear reaction rates and a consistent treatment of the equation of state. Models also include updated errors computed using Monte-Carlo simulations and a novel and flexible treatment of opacity uncertainties based on opacity kernels, required in the light of recent theoretical and experimental works on radiative opacity. In fact, radiative opacities are proposed as one of the possible solutions to the \emph{solar abundance problem}, that is the conflict between helioseismic predictions from the models and observations when new releases of the solar composition are used to construct the SSM, in contrast to the good agreement obtained with the older compositions based on more simplistic model atmospheres. Therefore, it is important to have a good understanding of the current status of the radiative opacities and the corresponding uncertainties.

Current uncertainties in the solar composition and opacities can be overcome for studies of particle physics that do not depend on a detailed knowledge of the solar interior composition. For this purpose, the Best Fit Model, a solar model that better reproduces the observations using realistic evolutionary inputs, is introduced.

Finally, a new statistical analysis that combines helioseismology and solar neutrino observations is presented, and it is used to place upper limits to the properties of non standard weakly interacting particles, and in particular, to axions, hidden photons and minicharged particles. For the fist time, constraints on the properties of these particles are placed by using a method that combines both helioseismology and solar neutrino observations. Additionally, the fact that Best Fit Models are the basis of the statistical analysis results in more robust bounds independent on the \emph{solar abundance problem}. The bounds obtained are: for the axion-photon coupling constant $g_{10} < 4.1$ at 3 C.L., for the product of the kinetic mixing and mass of hidden photons, $\chi m < 1.8 \cdot 10^{-12}~\rm{eV}$ at 3 C.L and for the change of the minicharged particles, $\epsilon=2.2 \cdot 10^{-14}$ at 2 CL for $m_f = 0 - 25~\rm{eV}$. The results are the most restrictive solar bounds, being aproximately a factor 2 better than previous ones. Moreover, the results obtained for hidden photons and minicharged particles are globally the most restrictive bounds.