Materia Oscura

Padova, 12 Maggio 2010
Breve aggiornamento
sullo stato e prospettive della
ricerca diretta di Materia Oscura
Antonio Masiero
TEN COMMANDMENTS TO BE A “GOOD” DM
CANDIDATE
BERTONE, A.M., TAOSO
•
TO MATCH THE APPROPRIATE RELIC DENSITY
•
TO BE COLD
•
TO BE NEUTRAL
•
TO BE CONSISTENT WITH BBN
•
TO LEAVE STELLAR EVOLUTION UNCHANGED
•
TO BE COMPATIBLE WITH CONSTRAINTS ON SELF – INTERACTIONS
•
TO BE CONSISTENT WITH DIRECT DM SEARCHES
•
TO BE COMPATIBLE WITH GAMMA – RAY CONSTRAINTS
•
TO BE COMPATIBLE WITH OTHER ASTROPHYSICAL BOUNDS
•
“TO BE PROBED EXPERIMENTALLY”
WIMPS (Weakly
# exp(-m/T)

#~#
Interacting Massive
Particles)
# does not change any more
m
Tdecoupl. typically ~ m /20
 ) and “cosmological” quantities (H, T , …
  depends on particle physics (annih.
0
 h2_~
10-3
COSMO – PARTICLE
<(annih.) V  > TeV2
~
2 /
M 2
CONSPIRACY
From T0 MPlanck
h2 in the range 10-2 -10-1 to be cosmologically interesting (for DM)
m ~ 102 - 103 GeV (weak interaction)
h2 ~ 10-2 -10-1 !!!
THERMAL RELICS (WIMP in thermodyn.equilibrium with the
plasma until Tdecoupl)
STABLE ELW. SCALE WIMPs from
PARTICLE PHYSICS
1) ENLARGEMENT
OF THE SM
SUSY
(x, )
EXTRA DIM.
(x, ji)
Anticomm.
Coord.
2) SELECTION
RULE
DISCRETE SYMM.
New bosonic
Coord.
R-PARITY LSP
KK-PARITY LKP
Neutralino spin 1/2
spin1
LITTLE HIGGS.
SM part + new part
to cancel 2
at 1-Loop
T-PARITY LTP
spin0
STABLE NEW
PART.
3) FIND REGION (S)
PARAM. SPACE
WHERE THE “L” NEW
PART. IS NEUTRAL +
ΩL h2 OK
mLSP
mLKP
mLTP
~100 - 200
~600 - 800
~400 - 800
GeV *
GeV
GeV
* But abandoning gaugino-masss unif.
Possible to have mLSP down to 7 GeV
Bottino, Donato, Fornengo, Scopel
DM and the SUSY parameter space
D. Cerdeno, WONDER10
DM and Extra Dimensions
New Physics : approximate LHC reach (one experiment) for some
benchmark scenarios (√s = 7 TeV, unless otherwise stated)
Z’ (SSM): Tevatron limit ~ 1 TeV (95% C.L)
50 pb-1 : exclusion up to ~ 1 TeV (95% C.L.)
500 pb-1 : discovery up to ~ 1.3 TeV
exclusion up to ~ 1.5 TeV
1 fb-1
: discovery up to ~ 1.5 TeV
SUSY ( q˜ , g˜
100 pb-1
1 fb-1

FABIOLA GIANOTTI, La Thuile 2010
W’ : Tevatron limit ~ 1 TeV (95% C.L)
10 pb-1 : exclusion up to 1 TeV
100 pb-1 : discovery up to ~ 1.3 TeV
1 fb-1 : discovery up to ~ 1.9 TeV
exclusion up to ~ 2.2 TeV
) : Tevatron limit ~ 400 GeV (95% C.L)
: discovery up to ~ 400 GeV
: discovery up to ~ 800 GeV
LHC will start to compete with the Tevatron in 2010, and should
take over in 2011 in most cases.
8
Supponiamo di trovare (parte dello
spettro di) particelle SUSY a LHC:
possiamo “ricostruire” chi sia lo
LSP, candidato WIMP di DM?
…ma se insieme troviamo la DM
sinergia LHC - DM
Neutralino-nucleon scattering cross sections along the WMAP-allowed coannihilation strip
for tanbeta=10 and coannihilation/funnel strip for tanbeta=50 using the hadronic parameters
ELLIS, OLIVE, SAVAGE
Ellis, Olive, Sandick
LHC
Sensitivity
ELENA APRILE, WONDER10
Elena Aprile for the XENON Coll., WONDER10 at LNGS, March 23, 2010
HOOPER ET AL. 2010
XENON100 Collaboration
arXiv:1005.0380 [astro-ph.CO]
submitted to PRL
Prospect with a 1-ton detector with noble
liquids
E. Aprile, WONDER10
Qualche pensiero finale
• La materia oscura richiede che ci sia una nuova particella che
non e’ presente nel Modello Standard particellare
• Se questa e’ una particella da qualche GeV al TeV che
interagisce debolmente ( cioe’ un WIMP), allora con gli
esperimenti di ricerca diretta attuali o che verranno fra un po’ (
es. con liquidi nobili: 100 litri ora, poi 1 ton) abbiamo buone
chance di riuscire a trovarla
• Se la modulazione di DAMA/LIBRA e’ dovuta alla materia
oscura, allora questa deve essere di tipo non-standard,
• Nel caso la particella WIMP sia il neutralino di SUSY, allora
abbiamo buone probabilita’ di una sua “identificazione”
incrociando I dati che vengono da LHC con quelli
provenienti dalla ricerca diretta
• Naturalmente anche gli esperimenti di ricerca indiretta di
materia oscura danno info molto rilevanti; in particolare se
ricerca diretta + LHC ci facessero convergere a un candidato
WIMP, almeno alcuni exps. di ricerca indiretta ( fotoni,
antimateria) potrebbero essere in buona posizione per produrre
una conferma della scoperta
IL GRAN SASSO HA UN VERO
ASSO NELLA MANICA CON LA
RICERCA DI MATERIA OSCURA:
come tutti gli assi, bisogna giocarli
al momento giusto e con
decisione, esser bravi e …avere
un po’ di fortuna