Beyond standard model particle constraints from stellar evolution

Abstract

In this thesis we accomplished numerical simulations of \beyond standard model particle"(axion-like particles) emissions from low mass stars. We looked for observable effects of these emissions, the focus being on axionlike particles from the cores of horizontal branch stars. We obtained a strong bound on the axion-photon coupling, g, from analysis of a sample of 39 Galactic Globular Clusters. As recognized long ago, the R parameter, i.e., the ratio of stars in the horizontal over the red giant branch of old stellar clusters, would be reduced by the axion production from photon conversions occurring in stellar cores. In this regard, we have compared the measured R with state-of-the-art stellar models obtained under different assumptions for ga. We show that the estimated value of g, substantially depends on the adopted He mass fraction Y, an effect often neglected in previous investigations. Taking as a benchmark for our study the most recent determinations of the He abundance in extragalactic HII regions with O=H in the same range as Galactic Globular Clusters, we obtain an upper bound ga < 0:66 x 10-10 GeV-1 at 95% confidence level. This result significantly improves the constraints from previous analyses and is currently the strongest limit on the axion-photon coupling from stellar evolution, in a wide axion mass range. A study of the uncertainties (considering both, theoretical and observational) is also performed.

Esta tesis trata acerca de simulaciones numéricas de la emisión, desde el interior de estrellas de baja masa, de axiones, partículas hipotéticas propuestas en ampliaciones del Modelo Estándar. Nos centramos en los posibles efectos, en observables de los cúmulos globulares, debidos a la producción de axiones y a su posterior emisión desde los interiores estelares.

A partir del análisis de una muestra de 39 cúmulos globulares galácticos, obtenemos un límite superior de la constante de acoplamiento entre el axión y el fotón, g. Investigaciones previas indican que el parámetro R, esto es, el cociente entre el número de estrellas en la rama horizontal y la rama de las gigantes rojas de los cúmulos globulares, disminuiría por la conversión de fotones en axiones, en el interior de esas estrellas. Con el fin de comprobar esta hipótesis, hemos comparado el parámetro R determinado observacionalmente con el predicho a partir de diversas simulaciones, en las que hemos introducido distintos valores de g. Demostramos que el valor estimado de g depende sustancialmente de la abundancia inicial de helio de la estrella, Y, un efecto no considerado anteriormente. Tomando como referencia en nuestro estudio las determinaciones más recientes de la abundancia de helio, en regiones H II extragalácticas con O/H en el mismo rango de los cúmulos globulares galácticos, obtenemos un límite superior g < 0.66 x 10^-10 GeV^-1 (95 % de confianza). Este resultado mejora, de forma significativa, los análisis previos y es actualmente el límite más restrictivo de g, en un rango de masas del axión amplio y obtenido a partir de la evolucion estelar. La tesis concluye con un estudio de las incertidumbres observacionales y teóricas que afectan a nuestros resultados.