Hypothetical low-mass particles, such as axions, provide a compelling explanation for the dark matter in the universe. Such particles are expected to emerge abundantly from the hot interior of stars. To test this prediction, the CERN Axion Solar Telescope (CAST) uses a 9 T refurbished Large Hadron Collider test magnet directed towards the Sun. In the strong magnetic field, solar axions can be converted to X-ray photons which can be recorded by X-ray detectors. In the 2013–2015 run, thanks to low-background detectors and a new X-ray telescope, the signal-to-noise ratio was increased by about a factor of three. Here, we report the best limit on the axion–photon coupling strength (0.66 × 10−10 GeV−1 at 95% confidence level) set by CAST, which now reaches similar levels to the most restrictive astrophysical bounds. Axions are hypothetical light particles that could explain the dark matter. They could be produced in the interior of the Sun and the CERN Axion Solar Telescope sets the best limit on how strongly axions can interact with light.

In the early universe, neutrinos are slightly coupled when electron-positron pairs annihilate transferring their entropy to photons. This process originates non-thermal distortions on the neutrino spectra which depend on neutrino flavour, larger for nu_e than for nu_mu or nu_tau. We study the effect of three-neutrino flavour oscillations on the process of neutrino decoupling by solving the momentum-dependent kinetic equations for the neutrino spectra. We find that oscillations do not essentially modify the total change in the neutrino energy density, giving N_eff=3.046 in terms of the effective number of neutrinos, while the small effect over the production of primordial 4He is increased by O(20%), up to 2.1 x 10^{-4}. These results are stable within the presently favoured region of neutrino mixing parameters.

Stellar-mass Primordial Black Holes (PBH) have been recently reconsidered as a Dark Matter (DM) candidate, after the aLIGO discovery of several binary BH mergers with masses of tens of $M_\odot$. Matter accretion on such massive objects leads to the emission of high-energy photons, capable of altering the ionization and thermal history of the universe. This in turn affects the statistical properties of the cosmic microwave background (CMB) anisotropies. Previous analyses have assumed spherical accretion. We argue that this approximation likely breaks down and that an accretion disk should form in the dark ages. Using the most up-to-date tools to compute the energy deposition in the medium, we derive constraints on the fraction of DM in PBH. Provided that disks form early on, even under conservative assumptions for accretion, these constraints exclude a monochromatic distribution of PBH with masses above $\sim 2\, M_\odot$ as the dominant form of DM. The bound on the median PBH mass gets more stringent if a broad, log-normal mass function is considered. A deepened understanding of non-linear clustering properties and BH accretion disk physics would permit an improved treatment and possibly lead to more stringent constraints.

We show that the complex shape of the cosmic ray (CR) spectrum, as recently measured by PAMELA and inferred from Fermi-LAT γ-ray observations of molecular clouds in the Gould belt, can be naturally understood in terms of basic plasma astrophysics phenomena. A break from a harder to a softer spectrum at rigidity R is approximately equal to 10 GV follows from a transition from transport dominated by advection of particles with Alfvén waves to a regime where diffusion in the turbulence generated by the same CRs is dominant. A second break at R is approximately equal to 200 GV happens when the diffusive propagation is no longer determined by the self-generated turbulence, but rather by the cascading of externally generated turbulence (for instance due to supernova bubbles) from large spatial scales to smaller scales where CRs can resonate. Implications of this scenario for the cosmic ray spectrum, grammage, and anisotropy are discussed.

Even if massive ($10\,M_\odot \lesssim M \lesssim 10^4 M_\odot$) primordial black holes (PBHs) can only account for a small fraction of the dark matter (DM) in the universe, they may still be responsible for a sizable fraction of the coalescence events measured by LIGO/Virgo, and/or act as progenitors of the supermassive black holes (SMBHs) observed already at high redshift ($z\gtrsim 6$). In presence of a dominant, non-PBH DM component, the bounds set by CMB via an altered ionization history are modified. We revisit the cosmological accretion of a DM halo around PBHs via toy models and dedicated numerical simulations, deriving updated CMB bounds which also take into account the last Planck data release. We prove that these constraints dominate over other constraints available in the literature at masses $M\gtrsim 20-50\,M_\odot$ (depending on uncertainty in accretion physics), reaching the level $f_{\rm PBH}<3\times 10^{-9}$ around $M\sim 10^{4}\,M_\odot$. These tight bounds are nonetheless consistent with the hypothesis of a primordial origin of the SMBH massive seeds.

We consider a cosmological model in which a fraction fdcdm of the Dark Matter (DM) is allowed to decay in an invisible relativistic component, and compute the resulting constraints on both the decay width (or inverse lifetime) Γdcdm and fdcdm from purely gravitational arguments. We report a full derivation of the Boltzmann hierarchy, correcting a mistake in previous literature, and compute the impact of the decay—as a function of the lifetime—on the CMB and matter power spectra. From CMB only, we obtain that no more than 3.8% of the DM could have decayed in the time between recombination and today (all bounds quoted at 95% CL). We also comment on the important application of this bound to the case where primordial black holes constitute DM, a scenario notoriously difficult to constrain. For lifetimes longer than the age of the Universe, the bounds can be cast as fdcdmΓdcdm < 6.3×10−3 Gyr−1. For the first time, we also checked that degeneracies with massive neutrinos are broken when information from the large scale structure is used. Even secondary effects like CMB lensing suffice to this purpose. Decaying DM models have been invoked to solve a possible tension between low redshift astronomical measurements of σ8 and Ωm and the ones inferred by Planck. We reassess this claim finding that with the most recent BAO, HST and σ8 data extracted from the CFHT survey, the tension is only slightly reduced despite the two additional free parameters. Nonetheless, the existing tension explains why the bound on fdcdmΓdcdm loosens to fdcdmΓdcdm < 15.9×10−3 Gyr−1 when including such additional data. The bound however improves to fdcdmΓdcdm < 5.9 ×10−3 Gyr−1 if only data consistent with the CMB are included. This highlights the importance of establishing whether the tension is due to real physical effects or unaccounted systematics, for settling the reach of achievable constraints on decaying DM.

Using the updated proton and helium fluxes just released by the AMS-02 experiment we reevaluate the secondary astrophysical antiproton to proton ratio and its uncertainties, and compare it with the ratio preliminarly reported by AMS-02. We find no unambiguous evidence for a significant excess with respect to expectations. Yet, some preference for a flatter energy dependence of the diffusion coefficient (with respect to the MED benchmark often used in the literature) starts to emerge. Also, we provide a first assessment of the room left for exotic components such as Galactic Dark Matter annihilation or decay, deriving new stringent constraints.