Illuminating Light Dark Matter with Fixed-Target Experiments
Questa tesi fa progredire l'insieme di strumenti teorici e statistici per la ricerca della materia oscura leggera (MeV–GeV) in esperimenti a target fisso come LDMX e SHiP, sviluppando framework esaustivi per la costruzione di modelli, l'inferenza basata sulla verosimiglianza, i fit globali e simulazioni del segnale migliorate che incorporano una modellazione nucleare avanzata.
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Da decenni, gli astronomi sanno che le stelle e le galassie visibili nell'universo sono solo una piccola frazione di ciò che è effettivamente presente. Il resto è una sostanza invisibile chiamata materia oscura, che si rivela solo attraverso la sua gravità, tenendo insieme le galassie e piegando il percorso della luce. Sebbene possiamo mappare dove si trova questa massa invisibile, non abbiamo idea di cosa sia fatta. Per molto tempo, gli scienziati hanno cercato particelle pesanti e a lento movimento, ma i rilevatori più sensibili non hanno trovato nulla. Ciò ha portato i ricercatori a considerare una possibilità diversa: che la materia oscura possa essere composta da particelle molto più leggere, con masse che vanno da pochi milioni di elettronvolt (MeV) a alcuni miliardi di elettronvolt (GeV). Se queste particelle leggere esistessero, sarebbero troppo deboli per scagliare attorno a nuclei atomici pesanti, che è il modo in cui funzionano i rilevatori tradizionali. Invece, interagirebbero con i minuscoli elettroni che orbitano attorno agli atomi, o verrebbero create in collisioni ad alta energia all'interno di acceleratori di particelle.
Per trovare queste particelle elusive, un ricercatore ha sviluppato un nuovo modo per cercarle utilizzando un tipo specifico di esperimento chiamato ricerca a bersaglio fisso (fixed-target search). In questi esperimenti, un fascio di elettroni ad alta velocità viene sparato contro un blocco solido di metallo, come il tungsteno. Quando gli elettroni colpiscono il metallo, possono creare nuove particelle. Se la materia oscura esiste ed è abbastanza leggera, potrebbe essere prodotta in queste collisioni. Poiché la materia oscura non interagisce con la luce o con la materia ordinaria, volerebbe attraverso i rilevatori senza lasciare traccia. Il trucco è misurare l'energia e la quantità di moto dell'elettrone che rimbalza dal bersaglio. Se l'elettrone perde più energia di quanto previsto, o rimbalza con un angolo che non corrisponde alla fisica standard, ciò suggerisce che qualcosa di invisibile, come la materia oscura, sia stato creato e abbia trasportato via quell'energia. Questa energia mancante è la firma che gli scienziati stanno dando la caccia.
Il lavoro presentato in questa tesi si concentra sul perfezionamento degli strumenti necessari per trovare queste particelle leggere, specificamente per un imminente esperimento chiamato Light Dark Matter eXperiment, o LDMX. Il ricercatore ha costruito un sofisticato quadro statistico per analizzare i dati di queste collisioni. Inveza di limitarsi a contare quante volte appare un segnale, il loro nuovo metodo esamina la forma dettagliata dei dati, analizzando sia l'energia dell'elettrone che rimbalza sia l'angolo in cui vola. Confrontando i dati reali con ciò che la fisica standard prevede, possono determinare se un segnale è reale o solo una fluttuazione casuale. Hanno testato questo quadro per vedere quanto bene LDMX potesse distinguere tra diverse teorie della materia oscura, scoprendo che l'esperimento è abbastanza potente non solo per rilevare un segnale, ma anche per distinguere tra vari tipi di particelle di materia oscura.
Oltre a cercare la versione più semplice della materia oscura, il ricercatore ha ampliato la ricerca includendo teorie più complesse. Hanno esplorato scenari in cui la materia oscura è una particella vettoriale, simile a un fotone ma con massa, e hanno investigato come queste particelle possano interagire attraverso effetti elettromagnetici di ordine superiore. Hanno anche esaminato come la materia oscura possa essere prodotta in altri tipi di esperimenti che utilizzano fasci di protoni invece di fasci di elettroni, come il proposto esperimento SHiP. In queste simulazioni, hanno scoperto che nuovi metodi di produzione, come il decadimento di particelle pesanti chiamate mesoni vettoriali, potrebbero aumentare significativamente le probabilità di trovare la materia oscura in certi intervalli di massa. Questo lavoro aiuta a definire il "target termico", un intervallo specifico di proprietà dove la materia oscura esisterebbe naturalmente se fosse stata creata nell'universo primordiale, fornendo ai futuri esperimenti un obiettivo chiaro da raggiungere.
Una parte cruciale di questa ricerca ha riguardato il miglioramento del modo in cui gli scienziati modellano il materiale bersaglio stesso. Nelle precedenti analisi, il bersaglio metallico era spesso trattato come un oggetto semplice e uniforme. Tuttavia, il ricercatore ha utilizzato avanzati metodi di fisica nucleare per modellare il bersaglio come un sistema complesso di protoni e neutroni che interagiscono tra loro. Ha scoperto che questa visione dettagliata del nucleo atomico modifica le previsioni su quanto spesso la materia oscura viene prodotta, specialmente per le particelle di materia oscura più pesanti. Incorporando queste strutture nucleari realistiche nelle loro simulazioni, hanno dimostrato che il segnale atteso potrebbe essere più forte di quanto precedentemente ipotizzato. Ciò significa che i futuri esperimenti potrebbero essere ancora più sensibili di quanto stimato in precedenza, a condizione che utilizzino questi modelli più accurati per interpretare i loro dati.
L'obiettivo ultimo di questo lavoro è prepararsi al momento in cui un esperimento potrebbe finalmente vedere un segnale. Il ricercatore ha sviluppato un toolkit completo per gestire quel momento, dalla simulazione della creazione della materia oscura all'analisi dei dati e al confronto tra diverse teorie. Hanno dimostrato come confermare una scoperta controllando se le stesse particelle di materia oscura possano essere viste anche in altri tipi di rilevatori, creando un quadro coerente tra diversi esperimenti. Sebbene la materia oscura non sia stata ancora trovata, questa tesi fornisce la tabella di marcia essenziale per la prossima generazione di ricerche. Essa colma il divario tra i complessi modelli teorici e la realtà pratica della conduzione di un esperimento, assicurando che, quando i dati arriveranno, gli scienziati sapranno esattamente come leggerli e cosa significano per la nostra comprensione dell'universo.
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