Figura 2.3: Rappresentazione di 2 vs mA0. La regione A rappresenta la ergione di sensibilità relativa ai modelli di ricostruzione della massa invariante attraverso gli stati finali e utilizzando la tecnica della massa mancante. La regione B si riferisce al metodo di determinazione del vertice, relativo a piccole lunghezze di decadimento. Infine la regione C si riferisce al metodo di determinazione del vertice, relativo a grandi lunghezze di decadimento.
2.6 Esperimenti di ricerca del fotone oscuro
447
Oggi molti degli esperimenti che acquisiscono misure e/o nascono per sondare un particolare
448
processo [64], prestano particolare attenzione anche a studiare dalle misure effettuate, eventuali
449
scenari per poter risolvere la questione “materia oscura”. I principali esperimenti che lavorano
450
sulla ricerca del nuovo bosone sono suddivisi in questo paragrafo in funzione delle tecniche
451
sperimentali utilizzate. In particolare, in funzione della tipologia dell’esperimento abbiamo:
452
Fascio di elettroni
453
• APEX (JLab): la produzione avviene attraverso il bremsstrahlung elettronico nei
labora-454
tori Jefferson nell’esperimento Hall A, con un fascio caratterizzato da una corrente pari
455
a 120µA. Quello che si ricerca è la presenza dei due leptoni nello stato finale dovuta al
456
decadimento di A0. L’esperimento utilizza uno spettromentro di coppia ad alta risoluzione
457
con bassa accettanza, σM/M ∼ 0.5%, il range per la massa di A0 è 65 < mA0 < 600M eV .
458
La strategia di ricerca prevede anche lo studio del bosone oscuro attraverso il metodo
459
della massa mancante nell’interazione e+e−→ γA0 [22] [23] [24].
460
• A1 (Mainz): produzione attraverso il bremsstrahlung elettronico, fascio del
Microtro-461
ne al Mainz(180 − 855M eV ; 100µA). Utilizza uno spettrometro di alta risoluzione,
l’e-462
sperimento ricerca i decadimenti visibili A0 → e+e−. Il parametro che può ricercare è
463
40 < mA0 < 300M eV , con 2 ∼ 8 × 10−7 [25].
464
• HPS (JLab): produzione attraverso il bremsstrahlung elettronico, ricerca mA0 da 20 −
465
200M eV con risoluzione sulla massa di pochi M eV . L’esperimento è eseguito con il fascio
466
di e−di CEBAF con corrente di 50−500nA nel range di 1−6GeV L’esperimento ha un alta
467
accettanza e utilizza rivelatori di vertice in silicio. La risoluzione spaziale è dell’ordine di
468
1−5mm, e dipende dalla massa di A0. Le strategie di misura riguardano sia l’utilizzo della
469
posizione del vertice di interazione che la ricostruzione della massa mancante attraverso
470
i decadimenti visibili e invisibili [26].
471
• DarkLight (JLab): produzione attraverso il bremsstrahlung elettronico nei “Jeffers Lab’s
472
Low Energy Recirculator Facility” con un fascio di elettroni di 10mA a 100M eV .
L’espe-473
rimento utilizza una targhetta in gas snza finestre nel fascio di ricircolo, per ricercare gli
474
stati finali A0 → e+e−. Rivelatori in silicone rivelano i fotoni di rinculo, implicando una
475
possibile sensibilità ai decadimenti invisibili [27] [28].
476
• MAGIX (Mainz): produzione attraverso il bremsstrahlung elettronico nel futuro fascio
477
MESA in ERL, designato per correnti di 1mA a 155M eV , con un progetto di luminosità
478
di L ∼ 1 × 1035. L’esperimento utilizzerà una targhetta gas-jet senza finestre o un
cluster-479
jet e utilizza uno spettrometro ad alta risoluzione per ricostruire gli stati finali e+e−. Ci si
480
aspetta una massa tra 10 < mA0 < 60M eV con 2 ∼ 3 × 10−9. La possibilità di osservare
481
il fotone di rinculo dagli eventi iniziali di bremsstrahlung apre la porta ad un approccio
482
per il metodo di massa mancante [29].
483
• NA64 (CERN): elettroni secondari di 100GeV dell’esperimento SPS al CERN. Il range
484
della corrente è 2 × 106e−/pacchetto, con 2-4 pacchetti di 4.8s al minuto. L’assorbimento
485
del fascio di elettroni nello strato superiore del calorimetro (ECAL1) è accompagnato
dal-486
l’emissione di un A0 di bremsstrahlung nella reazione eZ → eZA0. Una parte dell’energia
487
del fascio primario è depositata in ECAL1, mentre la restante è trasmessa da A0
attra-488
verso ECAL1 ad ECAL2 per effetto di A0 → e+e−. L’evento segnante della produzione
489
del fotone oscuro è un eccesso di segnale con le due traccie nel tracciatore e i due sciami
490
nei due strati di calorimetro.
491
• SuperHPS (SLAC): produzione attraverso il bremsstrahlung elettronico in DASEL (DArk
492
Sector Experiment at Lcls-II) [30] [31].
493
• TBD (Cornell): produzione attraverso il bremsstrahlung elettronico utilizzando il CBETA
494
(Cornell BNL FFAG-ERL Test Accelerator),caratterizzato da un’alta intensità del fascio
495
di elettroni. I parametri aspettati della macchina sono: I = 100mA a 76M eV , I = 80mA
496
a 146M eV , I = 40mA a 286M eV [32].
497
Fascio di positroni
498
• VEPP3 (BINP):produzione attraverso l’annichilazione e+e− con un fascio di
positro-499
ni di 500M eV con una targhetta interna di idrogeno gassoso e con una luminosità di
500
L = 1033cm−2s−1. Il range per la massa è 5 − 22M eV con risoluzione di 1M eV . La
501
2.6. ESPERIMENTI DI RICERCA DEL FOTONE OSCURO 19 ricostruzione della massa mancante si basa sulla rivelazione inclusiva del decadimento
502
invisibile di A0, anche la rivelazione del decadimento nel visibile è possibile [33] [34].
503
• PADME (Frascati): produzione attraverso l’annichilazione e+e−con un fascio di positroni
504
di 550M eV che incide su una targhetta in diamante. L’esperimento è sensibile ai modi
505
di decadimento invisibili, rivelando il bosone oscuro attraverso la distribuzione di massa
506
mancante, i modi di decadimento visibili sono possibili e vengono ricostruiti.
507
• MMAPS (Cornell): produzione attraverso l’annichilazione e+e− con un fascio di positroni
508
di 6.0GeV su targhetta di berillio. La luminosità attesa è L = 1034cm−2s−1. Come
509
in VEPP3 e in PADME la rivelazione avviene attraverso la ricostruzione della massa
510
mancante, essendo sensibili agli stati finali visibili e invisibili. La massa è 20 < mA0 <
511
78M eV con una risoluzione di 10 − 1M eV nello stesso intervallo.
512
Collisori e
+e
−513
• Belle-II (KEK): annichilazione di e+e− con √
s ∼ 10GeV , sensibile ai modelli di
deca-514
dimento visibile (γl+l−) e invisibile (γ). La strategia di trigger è stata sviluppata
con-515
siderando gli eventi con singolo fotone. Il range per la massa di A0 è 20M eV − 10GeV
516
[35].
517
• KLOE2 (Frascati): i modi di produzione includono i decadimenti mesonici (φ → ηA0),
518
l’annichilazione (e+e− → γA0), e il oscuro-higgsstrahlung (e+e− → H0A0). I modi di
519
ricerca includono i decadimenti visibili (A0 → e+e−, µ+µ−, ππ) e quelli invisibili [36].
520
• BaBar(PeP-II):Si ricercano eventi in cui si rivela un solo fotone in una quantità di dati
521
di 53f b−1 prodotti dalla collisione e+e− nel rivelatore BaBar nella B-factory al PEP-II.
522
Si studiano tutti quegli eventi con un unico fotone molto energetico, e con un grande
523
momento mancante, consistente con una particella di spin 1, A0 attraverso il processo
524
e+e− → γA0 → invisible. Non si è però ancora osservato alcun eccesso ad un livello di
525
confidenza del 90% per il range di massa del fotone oscuro dato da mA0 < 8GeV . I dati
526
raccolti sono con un energia del centro di massa della risonanza υ
527
Fascio di adroni
528
• NA62 (CERN): Utilizza una sorgente altamente luminosa di kaoni, l’obiettivo primario
529
è misurare BR(K+ → π+ν ¯ν) con un accuratezza del 10% e frazione segnale rumore di
530
10:1. Le misure ottenute vengono utilizzate anche per ricavare un limite superiore per
531
i processi BR(K+ → π+A0) e A0 → χχ. In più, i prodotti di decadimento dei mesoni
532
π0, η, D, prodotti alla targhetta, saranno utilizzati per la ricerca di A0.
533
• SeaQuest (FNAL): protoni di 120GeV incidono su targhetta dal Main Injector del FNAL.
534
La produzione del fotone oscuro avviene attraverso Drell-Yan, decadimento mesonico e il
535
bremsstrahlung fotonico. Il segnale primario è un picco nella distribuzione di massa del
536
sistema dei due muoni, con l’utilizzo del vertice di interazione vengono soppressi i segnali
537
di fondo. Il range di aspettato è 200M ev < mA0 < 10GeV [37].
538
• SHIP (CERN): Un ambizioso ampio spettro di ricerca per particelle nascoste utilizza
539
un fascio di protoni di 400GeV da SPS al CERN. I fotoni oscuro vengono prodotti dal
540
bremsstrahlung fotonico, Drell-Yan, lo scattering comton del QCD e dal decadimento
me-541
sonico. SHIP è sensibile allo stato finale visibile con una grande lunghezza di decadimento
542
(∼ 10m). I parametri sono sensibili nel range 10−18 < 2 < 10−8 e mA0 < 10GeV [38].
543
Collisori protoni-protoni
544
• LHCb (CERN):Notevole produzione nei decadimenti rari dei quark pesanti come: D∗ →
545
D0A0(→ e+e−) e B → K∗A0(→ µ+µ−) per piccole masse, infatti mA0 < 140M eV . I modi
546
di decadimenti inclusivi visibili A0 → µ+µ− forniscono una sensibilità di una decina di
547
GeV [39] [40] [41].
548
Muoni stoppati
549
• Mu3e (PSI):l’esperimento ricerca fondamentalmente la violazione del numero leptonico
550
nel decadimento µ+ → e+e−e+. Il fascio primario è di protoni di 2.3mA a 530M eV ; il
551
tracciatore di particelle (in silici) raggiunge la risoluzione di 0.3GeV , e quella temporale
552
(utilizzando fibre scintillanti) può raggoingere risoluzioni di 100ps. Il picco può essere
553
trovato nello spettro di massa invariante di e+e−, sopra la massa a riposo del muone.
554
I limiti della ricerca di A0 provengono dagli esperimenti di beam dump e derivano dalla
555
rianalisi di tutti gli esperimenti condotti a SLAC e al FermiLab durante gli anni ’80 e ’90 nella
556
ricerca della particella asson-like. Questi studi avevano un trigger basato sulla rivelazione di
557
un positrone monoenergetico a 1.8M eV [48]. In questi esperimenti A0 viene prodotto con un
558
processo simile al bremsstrahlung ordinario del fotone, con un fascio di elettroni davvero intenso
559
sul dump. Le particelle prodotte viaggiano attraverso il dump per un tempo relativamente breve
560
rispetto al loro tempo di vita e vengono osservate dal rivelatore prima del dump attraverso i loro
561
modi di decadiemento. In questo tipo di esperimenti, la quantità misurata è 2·BR(A0 → e+e−).
562
Se nel settore oscuro non ci sono particelle più leggere dell’elettrone, questo limite è valido,
563
altrimenti A0 può decadere in nuove particelle e rimane irrivelabile per l’esperimento.
564
Gli esperimenti a targhetta fissa sono dello stesso tipo e hanno la stessa produzione di quelli
565
sopracitati. Lo spessore della targhetta viene ridotto sino ad un ordine di grandezza tale da
566
permettere ad A0 di sfuggire.
567
Gli esperimenti che utilizzano collisori hanno ricercato evidenza di segnale nello spettro di
568
massa dei decadimenti di e+e− e µ+µ− e nei decadimenti di particelle mesoniche. Gli
esperi-569
menti che hanno condotto questo tipo di ricerca sono limitati nella misura della massa a causa
570
dell’indeterminazione della stessa di tutte le particelle coinvolte; inoltre si fa l’assunzione che
571
l’accoppiamento dei leptoni e dei quarks sia della stessa entità.
572