Riassunto analitico
La Materia Oscura (DM) costituisce uno dei più grandi problemi irrisolti della fisica moderna.
Esistono infatti numerose evidenze indirette in ambito astronomico e cosmologico che indicano come la materia oscura costituisca il contributo dominante di materia alla densità di energia dell'universo. Tuttavia a livello particellare la sua natura non è nota poiché la sua esistenza non è prevista dal Modello Standard (SM).
Questa mancanza di conoscenza ha lasciato campo al proliferare di modelli teorici che propongono diverse tipologie di candidati, tra i quali le Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) hanno rivestito un ruolo da protagonista.
Nonostante i numerosi sforzi impiegati per costruire esperimenti capaci di rivelare i segnali determinati dall'interazione tra particelle di DM e del Modello Standard, non sono state ottenute ad oggi evidenze che potessero aiutare a comprendere la natura della materia oscura. Tra di essi hanno un ruolo fondamentale gli esperimenti di detezione diretta che mirano ad osservare eventi di collisione elastica tra particelle di DM e nuclei o elettroni. Questi si sono dimostrati essere la metodologia più affidabile e sensibile, capace di imporre i limiti più stringenti sulle relative osservabili fisiche.
Tali tentativi non sono stati però vani poiché hanno comunque permesso di imporre limiti sulle scattering cross section tra DM e particelle dello SM, e di conseguenza di derivare delle restrizioni sui modelli teorici, in particolare sulle WIMPs.
Il fallimento della ricerca sperimentale ha dunque dato la possibilità di proporre nuove teorie e candidati, tipicamente più leggeri e più debolmente interagenti delle WIMPs,nominati Feebly Interacting Massive Particles (FIMPs).
In questo contesto si inserisce questa Tesi che si propone di introdurre e studiare in modo originale un candidato di materia oscura dato da un bosone vettoriale complesso la cui massa ricade nel range [MeV-10GeV], stabilizzato tramite una simmetria globale U(1).
A tal fine si costruisce una Teoria di campo Effettiva (EFT) tramite un approccio bottom-up, la quale assume che il bosone oscuro sia l'unico grado di libertà aggiuntivo rispetto al Modello Standard. In particolare si costruisce una Lagrangiana Portale che contiene tutti i possibili operatori che descrivono l'interazione tra il candidato di DM e le particelle dello SM nel regime di bassa energia in cui vale la EFT. Per fare questo si individuano tutti gli operatori fino a dimensione 6, i quali vengono organizzati in modo gerarchico seguendo un'espansione in serie di potenze in termini del cutoff Λ, il quale definisce la scala di energia a cui viene generata la teoria effettiva.
Si procede dunque con la caratterizzazione completa della fenomenologia del sistema a tree-level in modo da catturare i contributi più rilevanti alla dinamica di interazione.
In un secondo momento ci si concentra sul sottoinsieme di operatori effettivi che descrivono processi di scattering che siano di interesse ai fini di esperimenti di detezione diretta.
Nel caso di materia oscura leptofobica, che interagisce solamente con i nuclei, si calcola il numero di eventi attesi in funzione dei parametri della teoria (massa,Λ) per poi effettuare uno studio di verisimiglianza confrontando i dati sperimentali. Per materia oscura leptofilica, soggetta a scattering con elettroni, si deriva invece la cross section totale e la si confronta con le curve sperimentali. In entrambi i casi si impongono inoltre i bound derivanti dalle branching fraction di decadimento invisibile dell'Higgs e dello Z.
Il fine di tale analisi è quello di ottenere delle curve di demarcazione nello spazio dei parametri (massa,Λ) che individuino la regione di esclusione in cui il modello può essere scartato e dove invece si possa proseguire la ricerca per questo specifico candidato di DM.
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Abstract
Dark Matter (DM) is one of the most challenging and intriguing unsolved problems in modern physics.
There are several astronomical and cosmological evidences pointing out that dark matter provides the dominant matter contribution to the universe average energy density, while their nature in terms of particle physics is still unknown since its existence is not predicted by the Standard Model (SM).
This nescience allowed for several theoretical models to arise and purpose different particle candidates, among which Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) played a central role so far.
Despite the experimental efforts that have been made in order to detect the signature due to the interaction between DM and SM particles, no other evidence has been achieved so far to allow the comprehension of dark matter nature. Among all the experimental methods, Direct Detection (DD) searches, which look for DM elastic scattering off nuclei or electrons, definitely plays a relevant role since it has been proven to be the most reliable and sensitive one, being able to put the most stringent bounds on physical observables.
However these attempts were not vain at all since they allowed to put upper bounds on scattering cross sections, hence on theoretical models as well and on WIMPs in particular.
Still, the failure of experimental searches opened a new door on the theoretical side, leaving plenty of room for scenarios describing new particle candidates, typically lighter and even weaker interacting than WIMPs, that we refer to as Feebly Interacting Massive Particles (FIMPs).
This thesis fits in this context and aims to study in an original manner a complex dark vector boson candidate, with a mass in the range [MeV-10GeV], stabilized against decay by a U(1) dark global symmetry.
In order to accomplish this goal we build an Effective Field Theory (EFT) via a bottom-up approach, assuming that the dark boson is the only propagating degree of freedom beyond the SM field content. To tackle the issue we build an effective Portal Lagrangian containing all the possible operators describing the interaction between DM and SM particles in the low energy regime of the EFT. We choose to include up to dimension 6 contact terms and arrange them hierarchically via a power series expansion in terms of the cutoff Λ that sets the scale at which the EFT is generated.
We go ahead by completely characterizing the whole phenomenology of the system at tree-level, in order to capture the leading contribution to its dynamics.
Then we focus on the subset of operators who describe scattering events that can be used for Direct Detection purpose.
In the case of leptophobic DM scattering off nuclei only, we derive the number of expected events as a function of the parameters of the theory (DM mass,Λ) and perform a likelihood study by comparing the results with experimental data. This procedure is useful to study the O(GeV) upper limit of the mass range of interest.
On the other hand, for leptophilic DM scattering off electrons, we compute the total scattering cross section and compare it directly with the experimental curve. This second step allows us to exploit the small DM mass region which is not investigated by Nuclear recoils.
In both cases we also impose the bounds due to the Higgs and Z boson invisible decay Branching Fraction.
The ultimate goal of this analysis is to obtain, for leptophobic, leptophilic and generally interacting DM, a set of demarcation curves in the two dimensional parameters space (Λ vs. DM mass) who identify a well definite exclusion region. This allows us to establish in which region the theoretical model under consideration matches with the total lack of evidence of experiments, so that it can be ruled out, an where there is still room for investigation about our dark vector boson instead.
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