2.7 Vincoli sul modello
2.7.2 Limiti da esperimenti sensibili a decadimenti invisibili
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La situazione è significativamente meno vincolata nel caso del fotone oscuro con un significativo
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BR di decadimento negli stati finali del settore dell’invisibile [63] [68], Fig.2.5.
Figura 2.5: Sensibilità di A0 per gli esperimenti che utilizzano la massa mancante, basandosi sul metodo dei decadimenti invisibili. La regione di esclusione è rappresentata in grigio. La banda verde mostra la regione entro i 2σ nella quale A0 può espiegare la discrepanza tra il valore stimato e misurato g − 2 per i muoni.
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Esperimenti che ricercano la produzione di fotone oscuro da decadimenti invisibili sono
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relativamente più complessi, per questo è necessario partire da stati iniziali noti per ricostruire
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al meglio lo stato finale. Come già accennato, una tecnica utilizzata per analizzare questo tipo
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di decadimenti è quella di studiare la massa mancante attraverso una buona determinazione
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della cinematica sia dello stato iniziale che su quella dell’unico segnale nello stato finale.
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Capitolo 3
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PADME
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Come abbiamo visto la ricerca del bosone A0 si basa su tre differenti tecniche : esperimenti
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a beam dump, esperimenti a targhetta fissa e infine ricerca diretta nei decadimenti dei
me-598
soni come π0, η, φ Υ. In base allo stato finale che l’esperimento si prefissa di sondare, lo
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studio di ricerca si può dividere, come abbiamo visto, in visibile e invisibile, le quali lavorano
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su metodologie differenti. Rispettivamente la prima implementa una completa ricostruzione
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dei decadimenti di A0 , solitamente in e+e− o µ+µ−, mentre la seconda parte dal presupposto
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che A0 non può essere rivelato dalla strumentazione dell’esperimento, fondamentale, se non ci
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sono particelle dello SM nello stato finale, implementare una serie di veti efficienti per poter
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ottenere dei limiti stringenti sui parametri. I due tipi di ricerca sono complementari ed
equa-605
mente importanti. Verso la fine del 2015, INFN approvò formalmente un nuovo esperimento
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volto a questo tipo di ricerca, PADME al Linac DAFNE a Frascati. L’esperimento mira alla
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produzione di A0 attraverso processi di annichilazione del prositrone del fascio con l’elettrone
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della targhetta. La collaborazione PADME si propone di avviare la presa dati dell’esperimento
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nell’aprile del 2018, e in un anno collezionare ∼ 1013 positroni sulla targhetta, raggiungendo
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così una sensibilità sulla costante di accoppiamento ∼ 10−3 e sulla massa del fotone oscuro di
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∼ 23.7M eV /c2.
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3.1 Il fascio di positroni della BTF ai LNF
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Nel laboratorio BTF (Beam Test Facility) [49] [50] giungono, direttamente derivati dal fascio
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di elettroni del Linac di DAφNE [67], fasci di particelle di diversa natura: elettroni, positroni,
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fotoni e neutroni. Il laboratorio ha la peculiarità di fornire differenti tipi di fascio: ognuno
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di questi ha un numero di particelle costituenti ed energia variabile, entro i limiti consentiti
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dalle proprietà del fascio primario del Linac. L’attività di BTF è essenzialmente dedicata ai
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test e alla calibrazione di rivelatori da utilizzare negli esperimenti di fisica delle alte energie.
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Essa è rivolta sia ai gruppi sperimentali che operano all’interno dei Laboratori Nazionali di
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Frascati, sia a ricercatori esterni, italiani e stranieri. Una peculiarità della BTF è la grandissima
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adattabilità della facility alle necessità degli utenti, anche nel corso dello stesso test-beam: essa
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può istantaneamente cambiare fascio e le sue proprietà, garantendo una grande facilità d’uso.
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23
L’impiego della BTF, inoltre, gode dei benefici dell’essere immersa nel complesso DAφNE:
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tutti i servizi dell’acceleratore (p.e. servizi elettrici, logistici, informatici per arrivare a quelli
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di vuoto, diagnostica e criogenia) concorrono a renderla versatile adattandola a quasi tutte le
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più disparate esigenze degli sperimentatori. La BTF intende ampliarsi e raddoppiarsi: una
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linea verrà dedicata ad una indagine sulla materia oscura, sperando di portarla alla luce della
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conoscenza.
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La struttura è rappresentanta in figura 3.1. Si può osservare una linea di trasferimento dal
Figura 3.1: Struttura del complesso di DAφNE ai laboratori nazionali di Frascati, INFN.
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linac di DAφNE a un esperimento indipendente con annessa sala di controllo. E’ capace di
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produrre 50 pacchetti di positroni o elettroni al secondo con energia massima di 800M ev per
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gli elettroni e 550M eV per i positroni. Il minimo in energia è sotto ai 250M eV per entrambi
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i fasci [48]. Verrà fatto un aggiornamento al sistema per portare il massimo dell’energia degli
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elettroni(positroni) a 1050MeV(800MeV) [48].Questi pacchetti consisteranno in micropacchetti
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con una lunghezza totale di 350ps. La granularità del fascio insieme ai subrivelatori per la
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risoluzione temporale possono essere utilizzati per ridurre problemi di pile-up del fondo.
L’e-637
mittanza tipica del fascio di elettroni/positroni è di 1mm·mrad, mentre la corrente massima del
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fascio è di 500mA(100mA). Le caratteristiche del fascio (dimensione dello spot, divergenza e
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risoluzione del momento) dipendono fortemente dall’energia del fascio e dal numero di particelle
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per pacchetto.
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3.1. IL FASCIO DI POSITRONI DELLA BTF AI LNF 25 Un magnete pulsato segue il pacchetto per poi essere estratto nella linea di fascio del BTF.
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Il fascio BTF può essere attenuato utilizzando una targhetta in rame con spessore variabile per
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selezionare una determinata energia con l’accuratezza migliore del 1% prima che il fascio venga
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trasportato sul muro dell’esperimento. In quest’ultimo le particelle o possono proseguire in
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direzione dritta o vengono deflesse di 45 deg utilizzando un dipolo magnetico. In una normale
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operazione, una delle 50 pulsazioni al secondo può essere inviata a uno spettrometro magnetico
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per una misura precisa del momento del fascio.
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Il più grande limite del linac è la durata del pacchetto così breve, 10ns, e i 50 pacchetti
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generati al secondo. Infatti per ottenere un rate sufficientemente alto e un grande numero di
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positroni per pacchetto, viene incrementata anche la probabilità di ottenere eventi di pile-up.
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Questo problema può essere parzialmente risolto con dei subrivelatori con risoluzioni temporali
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del ns, ma questo richiede un incremento della lunghezza del pacchetto. Un passo avanti è
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stato fatto estendendo la durata del pacchetto da 2ns a 40ns [48].
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