Ricerca di Materia Oscura Leggera con un fascio di positroni

Abstract

Trovare una soluzione al problema della Materia Oscura rappresenta una delle motivazioni principali per estendere la ricerca della fisica oltre il Modello Standard. Negli ultimi anni, gli sforzi teorici e sperimentali si sono focalizzati sull'ipotesi per cui la DM sia composta da WIMP. Nonostante un significativo sforzo sperimentale, ad oggi non si ha una conferma definitiva dell'esistenza di queste particelle. Di conseguenza, la ricerca della DM si è estesa dal modello tradizionale verso modelli alternativi. Tra questi, la DM con massa nell'intervallo 1 MeV - 1000 MeV (detta Light Dark Matter) è teoricamente motivata se si introduce un nuovo mediatore che consente l'interazione tra la LDM e le particelle del Modello Standard. Tra le teorie LDM, il modello più semplice introduce un bosone massivo, detto Fotone Oscuro (A’). In questo scenario, l’A’ può essere generato dall'interazione di particelle cariche con la materia ordinaria e, una volta prodotto, può decadere in una coppia di particelle di LDM. Gli esperimenti che utilizzano un fascio di positroni incidente su un bersaglio spesso permettono di sfruttare appieno il meccanismo di produzione della LDM tramite l'annichilazione risonante dei positroni con gli elettroni del bersaglio. Questo canale di produzione dà luogo ad un'importante segnatura sperimentale: l’A’ prodotto ha un'energia cinetica che dipende unicamente dalla sua massa. Lo scopo principale della mia tesi consiste nello studiare la fattibilità e le potenzialità di un esperimento che investighi l'esistenza della LDM mediante una misura di energia mancante con un fascio di positroni. L'esperimento è basato sull'utilizzo di un bersaglio spesso attivo sul quale incide il fascio di positroni. Se un A’ è generato nello sciame elettromagnetico che si sviluppa nel bersaglio, le particelle di LDM prodotte fuoriescono dal detector dando luogo ad una segnatura di energia mancante, definita come la differenza tra l'energia nominale del fascio e quella misurata.

One of the most compelling arguments motivating the search for physics beyond the Standard Model is the need to explain the nature of Dark Matter. In past years, theoretical and experimental efforts mainly focused on the hypothesis that DM corresponds to WIMP. However, despite an extensive search program, to date no conclusive signals supporting the existence of WIMPs have been found. Therefore, searches for Dark Matter extended from the traditional paradigm to new, alternative models. DM particles in the mass range 1 MeV – 1000 MeV (called Light Dark Matter) is theoretically well-motivated and represents a valuable option that can be efficiently explored using medium-energy beams at accelerators. Among the LDM theories, the simplest model introduces a new gauge boson called “Dark Photon" (A’) interacting both with the SM and the Dark Matter particles. In this scenario, the A’ can be generated by the interactions of charged particles with ordinary matter and this subsequently decays into LDM particle pair. Experiments making use of positron beams are particularly interesting since the annihilation process with electrons in the target provides an efficient mechanism for LDM generation. This process results in a unique signature related to the underlying resonant dynamics: the A’ produced via this mechanism carries a well-defined kinetic energy, solely depending on its mass. The main purpose of my thesis is to study the feasibility and the potential of a missing energy experiment investigating the A’ existence. The measurement will use a positron beam impacting on a thick active target (an electromagnetic calorimeter) measuring the energy released by each positron. If an A’ is generated in the target by the interaction between a positron in the electromagnetic shower and an atomic electron, the LDM particle may leave the detector without further interactions, resulting in a measurable missing energy, defined as the difference between the beam and the measured energy.