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L’ UNIVERSO INVISIBILE: IL PROBLEMA DELLA MATERIA ED ENERGIA OSCURE Antonio Masiero Univ. di Padova e INFN, Padova INCONTRI DI FISICA, LNF, 9 OTT. 2009.

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1 L’ UNIVERSO INVISIBILE: IL PROBLEMA DELLA MATERIA ED ENERGIA OSCURE Antonio Masiero Univ. di Padova e INFN, Padova INCONTRI DI FISICA, LNF, 9 OTT. 2009

2 INTERAZIONI FONDAMENTALI UNIFICAZIONE delle INTERAZIONI FONDAMENTALI

3 IL MODELLO STANDARD PARTICELLARE

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7 WHY TO GO BEYOND THE SM “OBSERVATIONAL” REASONS HIGH ENERGY PHYSICS (but A FB ……) FCNC, CP  NO (but b sqq penguin …) HIGH PRECISION LOW-EN. NO (but (g-2)  …) NEUTRINO PHYSICS YE m  0,   0 COSMO - PARTICLE PHYSICS YE (DM, ∆ B cos m, INFLAT., DE) Z bb NO YES THEORETICAL REASONS INTRINSIC INCONSISTENCY OF SM AS QFT (spont. broken gauge theory without anomalies) NO ANSWER TO QUESTIONS THAT “WE” CONSIDER “FUNDAMENTAL” QUESTIONS TO BE ANSWERED BY “FUNDAMENTAL” THEORY ( hierarchy, unification, flavor) NO YES

8 INDICAZIONI DI NUOVA FISICA AL DI LA’ DEL MODELLO STANDARD PARTICELLARE MASSA DEI NEUTRINI ESISTENZA DI MATERIA OSCURA NON COSTITUITA DALLA “SOLITA” MATERIA (protoni, neutroni) ASIMMETRIA COSMICA TRA MATERIA E ANTIMATERIA: ESISTENZA DI UNA NUOVA SORGENTE DI VIOLAZIONE DI CP OLTRE A QUELLA PREVISTA DAL MODELLO STANDARD IMPOSSIBILITA’ NEL MS DI OTTENERE UNA FASE INFLAZIONARIA ( ESPANSIONE ACCELERATA ESPONENZIALMENTE ) NELL’UNIVERSO PRIMORDIALE DOMANDE “FONDAMENTALI” A CUI IL MODELLO STANDARD NON RISPONDE: - UNIFICAZIONE DELLE FORZE FONDAMENTALI - MASSE E MESCOLAMENTI DEI FERMIONI - “STABILITA’” DELLA SCALA DI ENERGIA A CUI I BOSONI W e Z PRENDONO MASSA ( circa 100 GeV)

9 THEORETICAL REASONS TO GO BEYOND THE SM FLAVOR PUZZLE  RATIONALE FOR FERMION MASSES AND MIXINGS UNIFICATION PROBLEM  NO REAL UNIF. OF ELW.+STRONG INTERACTIONS +GRAVITY LEFT OUT OF THE GAME HIERARCHY PROBLEM(S)  ULTRAVIOLET COMPLETION OF THE SM TO (NATURALLY) STABILIZE THE ELW. BREAKING SCALE + TUNING OF THE COSMOLOGICAL CONSTANT

10 Present “Observational” Evidence for New Physics NEUTRINO MASSES DARK MATTER MATTER-ANTIMATTER ASYMMETRY INFLATION

11 MICROMACRO PARTICLE PHYSICSCOSMOLOGY GWS STANDARD MODEL HOT BIG BANG STANDARD MODEL HAPPY MARRIAGE Ex: NUCLEOSYNTHESIS BUT ALSO POINTS OF FRICTION -COSMIC MATTER-ANTIMATTER ASYMMETRY -INFLATION - DARK MATTER + DARK ENERGY “OBSERVATIONAL” EVIDENCE FOR NEW PHYSICS BEYOND THE (PARTICLE PHYSICS) STANDARD MODEL

12 The Energy Scale from the “Observational” New Physics neutrino masses dark matter baryogenesis inflation NO NEED FOR THE NP SCALE TO BE CLOSE TO THE ELW. SCALE The Energy Scale from the “Theoretical” New Physics ULTRAVIOLET COMPLETION of the SM already at the TeV scale Stabilization of the electroweak symmetry breaking at M W calls for an ULTRAVIOLET COMPLETION of the SM already at the TeV scale + CORRECT GRAND UNIFICATION “CALLS” FOR NEW PARTICLES AT THE ELW. SCALE

13 LE “COSTANTI” DI ACCOPPIAMENTO FONDAMENTALI NON SONO COSTANTI

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15 DA G.U.T. A SUSY G.U.T. Aggiunta di nuove particelle SUSY partner di quelle ordinarie del Modello Standard ad una scala di massa tra 100 e 1000 GeV

16 Di cosa è fatto l'Universo?

17 EVIDENCE FOR DM

18 MODIFICARE LA GRAVITA’ (MOND) DM e’ sempre derivata dalle osservazioni assumendo la validita’ della legge standard della gravita’  possibile evitare l’introduzione di DM se modifico la legge di gravita’ su varie scale astronomiche Possibili problemi per CDM Fit di MOND a >100 curve di rotazione galattiche con successo Problemi a riprodurre i dati relativi alla dinamica di clusters: necessita’ di introdurre materia invisibile (neutrini, barioni oscuri) Versione relativistica di MOND ( Tensor-Vector Scalar Th. - TeVeS) + covarianza ( Bekenstein ’04, Sanders ’05) TeVeS : OK per strong lensing, invece necessita di materia invisibile per riprodurre il weak lensing. Barioni oscuri necessari anche per fenomeni quali il Bullet Cluster ( Milgrom ’08)

19 The BULLET CLUSTER: two colliding clusters of galaxies Stars, galaxies and putative DM behave differently during collision, allowing for them to be studied separately. In MOND the lensing is expected to follow the baryonic matter, i.e. the X-ray gas. However the lensing is strongest in two separated regions near the visible galaxies most of the mass in the cluster pair is in the form of collisionless DM

20 La conoscenza che abbiamo riguarda solo il 4% dell’Universo il resto è ancora ignoto !!

21 1% Stelle 7% Gas nelle galassie 7% Gas 85% Materia Oscura materia barionica materia non barionica Inventario della materia nell’ Universo

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23 Equazione del Campo di Gravitazione Costante Cosmologica Albert Einstein ( ) LA COSTANTE COSMOLOGICA SORGENTE DELL’ENERGIA OSCURA DELL’UNIVERSO E CAUSA DELLA SUA ESPANSIONE ACCELERATA?

24 Bilancio energetico dell’Universo PROBLEMA DELL’ENERGIA DEL VUOTO O DELLA COSTANTE COSMOLOGICA ?

25 IS THE FINE-TUNING A REAL PROBLEM? WARNING: THERE EXISTS AN EVEN “LARGER” HIERARCHY OR FINE -TUNING OR NATURALNESS PROBLEM: THE COSMOLOGICAL CONSTANT PROBLEM (“ THE MOTHER” OF ALL NATURALNESS PROBLEMS); SO FAR, WE SIMPLY “ACCEPT” SUCH FINE-TUNING! (OUTRAGEOUS) POSSIBILITY: THE “THEORY OF EVERYTHING” COULD BE UNIQUE, BUT WITH MANY (INFINITE?) VACUA EACH GIVING RISE TO A DIFFERENT UNI-VERSE ( MULTI-VERSE POSSIBILITY ). WE CAN LIVE ONLY IN THE VERY RESTRICTED CLASS OF THE “MULTI-VERSE SPACE” WHERE THE “BOUDARY CONDITIONS” ( FOR INSTANCE, THE VALUE OF THE COSMOLOGICAL CONSTANT OR THE SCALE OF THE ELW.SYMMETRY BREAKING AND, HENCE, THE HIGGS MASS) EXHIBIT VALUES ALLOWING FOR THE CORRECT BBN, LSS,… OUR LIFE! ANTHROPIC PRINCIPLE

26 UNI MULTI UNI -- VERSO O MULTI -- VERSO Tutta l’evoluzione dell’Universo (asimmetria tra materia ed antimateria, nucleosintesi, formazione delle galassie, ammassi, etc., sistema solare, vita sulla Terra etc.) dipende in maniera molto stretta dal preciso valore assunto da alcuni parametri fondamentali ( tra questi quello della costante cosmologica): e’ possibile che quello in cui noi siamo sia solo uno dei moltissimi –versi ( MULTI – VERSO) ?

27 DM  NEW PHYSICS BEYOND THE ( PARTICLE PHYSICS ) SM - if Newton is right at scales>size of the Solar System Ω DM = ± * Ω baryons = ± ** *from CMB ( 5 yrs. of WMAP) + Type I Supernovae + Baryon Acoustic Oscillations (BAO) **CMB + TypeI SN + BAO in agreement with Nucleosynthesis (BBN)

28 MATERIA OSCURAQUANTITATIVAMENTE QUALITATIVAMENTE NUOVA FISICA OLTRE IL MS PARTICELLARE LA MATERIA OSCURA E’ QUANTITATIVAMENTE E QUALITATIVAMENTE LA PIU’ IMPRESSIONANTE EVIDENZA DI NUOVA FISICA OLTRE IL MS PARTICELLARE QUANTITATIVE: Taking into account the latest WMAP data which in combination with LSS data provide stringent bounds on  DM and  B EVIDENCE FOR NON-BARYONIC DM AT MORE THAN 10 STANDARD DEVIATIONS!! THE SM DOES NOT PROVIDE ANY CANDIDATE FOR SUCH NON- BARYONIC DM QUALITATIVE: it is NOT enough to provide a mass to neutrinos to obtain a valid DM candidate; LSS formation requires DM to be COLD NEW PARTICLES NOT INCLUDED IN THE SPECTRUM OF THE FUNDAMENTAL BUILDING BLOCKS OF THE SM !

29 NEUTRINI LA MATERIA OSCURA SONO I NEUTRINI LA MATERIA OSCURA? SIC TRANSIT GLORIA MUNDI Massive neutrinos: only candidates in the SM to account for DM. From here the “prejudice” of neutrinos of a few eV to correctly account for DM Neutrinos decouple at ~1 MeV ; being their mass<

30 LSS PATTERN AND NEUTRINO MASSES (E..g., Ma 1996) m = 0 eVm = 1 eV m = 7 eVm = 4 eV

31 Cosmological Bounds on the sum of the masses of the 3 neutrinos from increasingly rich samples of data sets

32 LA PARTICELLA DI MATERIA OSCURA ESSERE IL PRIMO SEGNALE DELLA NUOVA FISICA ALLA SCALA ELETTRODEBOLE ? LA MATERIA OSCURA QUALE CHIAVE DI ACCESSO ALLA NUOVA FISICA OLTRE IL MS: PUO’ LA PARTICELLA DI MATERIA OSCURA ESSERE IL PRIMO SEGNALE DELLA NUOVA FISICA ALLA SCALA ELETTRODEBOLE ?

33 WIMP MIRACLE THE “WIMP MIRACLE” Tante le possibilita’, ma gli WIMP sono speciali : singolare coincidenza tra param. dei MODELLI STANDARD PART. e COSM. per dare validi candidati di DM proprio alla scala eletttrodebole (TeV) Bergstrom

34 WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) #  ~#  m  #  exp(-m  /T) #  does not change any more T decoupl. typically ~ m  /20    depends on particle physics (  annih. ) and “cosmological” quantities (H, T 0, …    h 2 _ ~ TeV 2 ~  2 / M 2  From T 0 M Planck   h 2 in the range to be cosmologically interesting (for DM) m  ~ GeV (weak interaction)  h 2 ~ !!! THERMAL RELICS ( WIMP in thermodyn.equilibrium with the plasma until T decoupl ) COSMO – PARTICLE CONSPIRACY

35 HOW TO COPE WITH THE HIERARCHY PROBLEM LOW-ENERGY SUSY LARGE EXTRA DIMENSIONS DYNAMICAL SYMMETRY BREAKING OF THE ELW. SYMMETRY LANDSCAPE APPROACH (ANTHROPIC PRINCIPLE)

36 STABLE ELW. SCALE WIMPs from PARTICLE PHYSICS 1) ENLARGEMENT OF THE SM SUSY EXTRA DIM. LITTLE HIGGS. (x ,  ) (x , j i) SM part + new part Anticomm. New bosonic to cancel  2 Coord. Coord. at 1-Loop 2) SELECTION RULE DISCRETE SYMM. STABLE NEW PART. R-PARITY LSP KK-PARITY LKP T-PARITY LTP Neutralino spin 1/2 spin1 spin0 3) FIND REGION (S) PARAM. SPACE WHERE THE “L” NEW PART. IS NEUTRAL + Ω L h 2 OK * But abandoning gaugino-masss unif. Possible to have m LSP down to 7 GeV m LSP ~ GeV * m LKP ~ GeV m LTP ~ GeV Bottino, Donato, Fornengo, Scopel

37 SUSY & DM : a successful marriage Supersymmetrizing the SM does not lead necessarily to a stable SUSY particle to be a DM candidate. However, the mere SUSY version of the SM is known to lead to a too fast p-decay. Hence, necessarily, the SUSY version of the SM has to be supplemented with some additional ( ad hoc?) symmetry to prevent the p- decay catastrophe. Certainly the simplest and maybe also the most attractive solution is to impose the discrete R-parity symmetry MSSM + R PARITY LIGHTEST SUSY PARTICLE (LSP) IS STABLE. The LSP can constitute an interesting DM candidate in several interesting realizations of the MSSM ( i.e., with different SUSY breaking mechanisms including gravity, gaugino, gauge, anomaly mediations, and in various regions of the parameter space).

38 WHO IS THE LSP? SUPERGRAVITY ( transmission of the SUSY breaking from the hidden to the obsevable sector occurring via gravitational interactions): best candidate to play the role of LSP: NEUTRALINO ( i.e., the lightest of the four eigenstates of the 4x4 neutralino mass matrix) In CMSSM: the LSP neutralino is almost entirely a BINO

39 WHICH SUSY HIDDEN SECTOR SUSY BREAKING AT SCALE  F OBSERVABLE SECTOR SM + superpartners MSSM : minimal content of superfields MESSENGERS F = M W M Pl GRAVITY M gravitino ~ F/M Pl ~ ( ) GeV GAUGE INTERACTIONS F = ( ) GeV M gravitino ~ F/M Pl ~ ( ) eV

40 NEUTRALINO LSP IN THE CONSTRAINED MSSSM: A VERY SPECIAL SELECTION IN THE PARAMETER SPACE? Ellis, Olive, Santoso, Spanos Excluded: stau LSP Excluded by b  sγ Favored by g µ -2 Favored by DM

41 After LEP: tuning of the SUSY param. at the % level to correctly reproduce the DM abundance: NEED FOR A “WELL-TEMPERED” NEUTRALINO

42 MA SIAMO SICURI CHE LA MATERIA OSCURA SIA LEGATA SOLAMENTE A NUOVA FISICA OLTRE IL MODELLO STANDARD PARTICELLARE? LA PIU’ LONTANA INFORMAZIONE ( AFFIDABILE) CHE ABBIAMO SULLE PRIME FASI DELL’UNIVERSO E’ LA NUCLEOSINTESI ( t > 1 sec. dopo il Big Bang) PRIMA DELLA NUCLEOSINTESI L’EVOLUZIONE ( ad es. la velocita’ di espansione) DELL’UNIVERSO POTEVA DIFFERIRE SIGNIFICATIVAMENTE DAL QUADRO DELLA COSMOLOGIA STANDARD DEL BIG BANG CALDO CON PROFONDE IMPLICAZIONI SULL’ABBONDANZA E NATURA DELLA MATERIA OSCURA

43 DM and NON-STANDARD COSMOLOGIES BEFORE NUCLEOSYNTHESIS NEUTRALINO RELIC DENSITY MAY DIFFER FROM ITS STANDARD VALUE, i.e. the value it gets when the expansion rate of the Universe is what is expected in Standard Cosmology (EX.: SCALAR-TENSOR THEORIES OF GRAVITY, KINATION, EXTRA-DIM. RANDALL- SUNDRUM TYPE II MODEL, ETC.) WIMPS MAY BE “COLDER”, i.e. they may have smaller typical velocities and, hence, they may lead to smaller masses for the first structures which form GELMINI, GONDOLO

44 LARGER WIMP ANNIHILATION CROSS- SECTION IN NON-STANDARD COSMOLOGIES Having a Universe expansion rate at the WIMP freeze-out larger than in Standard Cosmology  possible to provide a DM adequate WIMP population even in the presence of a larger annihilation cross- section ( Catena, Fornengo, A.M., Pietroni) Possible application to increase the present DM annihilation rate to account for the PAMELA results in the DM interpretation (instead of other mechanisms like the Sommerfeld effect or a nearby resonance) El Zant, Khalil, Okada

45 WIMPs: proviamo a “fabbricarli” anche noi ! L’IPOTESI “WIMPS” MATERIA OSCURA COSTITUITA DA PARTICELLE “NUOVE” CON MASSA TRA 100 E 1000 GEV CHE INTERAGISCONO SOLO DEBOLMENTE LHC, ILC (LINEAR COLLIDER ) POSSONO PRODURRE WIMPS WIMPS scappano dal rivelatore “FIRMA” DELL’HIGGS: ENERGIA MANCANTE DALLA MISURA DI MATERIA OSCURA POSSO RISALIRE A QUANTO GLI WIMPS INTERAGISCANO CON LA MATERIA ORDINARIA E QUINDI PREDIRE LA QUANTITA’ DI WIMPS CHE PRODURRO’ A LHC O A ILC

46 PREDICTION OF Ω DM FROM LHC AND ILC FOR TWO DIFFERENT SUSY PARAMETER SETS BALTZ, BATTAGLIA, PESKIN, WIZANSKY

47 HUNTING FOR DARK MATTER DIRECT DM SEARCHES INDIRECT DM SEARCHES

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50 ELLIS, OLIVE, SAVAGE 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, Sandick LHC Sensitivity

51 PROSPECTS FOR DISCOVERING THE CMSSM AT THE LHC IN LIGHT OF WMAP RED: FULL SAMPLE OF CMMS MODELS BLUE: POINTS COMPATIBLE WITH WMAP GREEN: POINTS ACCESSIBLE TO LHC YELLOW: POINTS ACCESSIBLE TO PRESENT DIRECT DM SEARCHES Ellis et al.

52 MODULAZIONE DEL SEGNALE DI INTERAZIONE TRA MATERIA OSCURA E NUCLEI-BERSAGLIO “VENTO DI MATERIA OSCURA “ VARIA A SECONDA DELLA VELOCITA’ DELLA TERRA

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55 DM INDIRECT DETECTION

56 RICERCA INDIRETTA DI MATERIA OSCURA ANNICHILAZIONE WIMP-ANTIWIMPANNICHILAZIONE WIMP-ANTIWIMP RILEVANTI PRODOTTI DELL’ANNICHILAZIONE :RILEVANTI PRODOTTI DELL’ANNICHILAZIONE : I) FOTONI AD ALTA ENERGIA I) FOTONI AD ALTA ENERGIA II) NEUTRINI AD ALTA ENERGIA II) NEUTRINI AD ALTA ENERGIA III) ANTIMATERIA III) ANTIMATERIA I) ASTRONOMIA GAMMA: telescopi a terra ( es. MAGIC alle Canarie o ARGO in Tibet ) o nello spazio ( es. AGILE e FERMI) I) ASTRONOMIA GAMMA: telescopi a terra ( es. MAGIC alle Canarie o ARGO in Tibet ) o nello spazio ( es. AGILE e FERMI) II) TELESCOPI DI NEUTRINI: sotto il ghiaccio del polo (AMANDA), o sotto il mare ( ANTARES, Marsiglia, in futuro NEMO, Capo Passero, Sicilia) III) ANTIMATERIA: ricerche di eccessi di antiprotoni o positroni in esperimenti spaziali (PAMELA su razzo russo, AMS sulla ISS)

57 INDIRECT SEARCHES OF DM WIMPs collected inside celestial bodies ( Earth, Sun): their annihilations produce energetic neutrinos WIMPs in the DM halo: WIMP annihilations can take place ( in particular, their rate can be enhanced with there exists a CLUMPY distribution of DM as computer simulations of the DM distribution in the galaxies seem to suggest. From the WIMP annihilation: -- energetic neutrinos ( under-ice, under-water exps Amanda, Antares, Nemo, Nestor, …) --photons in tens of GeV range ( gamma astronomy on ground Magic, Hess, … or in space Agile, Glast…) --antimatter: look for an excess of antimatter w.r.t. what is expected in cosmic rays ( space exps. Pamela, AMS, …)

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59 PAMELA excess: October 2008, stimulated enormous theoretical activity; note: statistical errors only! Fermi: feature observed by ATIC not confirmed Strumia EPS09

60 Pulsars: Fermi & PAMELA pulsar parameters “randomly” varied! Grasso et al

61 1)Necessario innalzare la sezione d’uro di annichilazione OGGI rispetto a quella presente quando gli WIMP si sono disaccoppiati nel primo Universo 2)SUSY WIMP piuttosto pesanti m> 1 TeV Strumia EPS09

62 THE “WHY NOW” PROBLEM

63 DMDE DO THEY “KNOW” EACH OTHER? DIRECT INTERACTION  (quintessence) WITH DARK MATTER DANGER:  Very LIGHT m  ~ H 0 -1 ~ eV Threat of violation of the equivalence principle constancy of the fundamental “constants”,… INFLUENCE OF  ON THE NATURE AND THE ABUNDANCE OF CDM Modifications of the standard picture of WIMPs FREEZE - OUT CDM CANDIDATES CATENA, FORNENGO, A.M., PIETRONI, SCHELKE  COMPONENTE SCALARE DELLA GRAVITA’ IN AGGIUNTA ALLA SOLITA COMPONENTE TENSORIALE?

64 S. Katsanevas ASPERA

65 FCNC, CP ≠, (g-2), (  ) 0 m  n    … LINKED TO COSMOLOGICAL EVOLUTION Possible interplay with dynamical DE NEW PHYSICS AT THE ELW SCALE DM - FLAVOR for DISCOVERY and/or FUND. TH. RECONSTRUCTION A MAJOR LEAP AHEAD IS NEEDED LFV NEUTRINO PHYSICSLEPTOGENESIS TEVATRON I L C

66 MICRO MACRO MODELLO STANDARD MODELLO STANDARD PARTICELLARE: COSTITUENTI E INTERAZIONI FONDAMENTALI MODELLO STANDARD COSMOLOGICO: HOT BIG BANG MATRIMONIO FELICE ES: NUCLEOSINTESI MA ANCHE PUNTI DI ATTRITO MATERIA ED ENERGIA OSCURA LHC  UNA ECCEZIONALE FINESTRA PER ESPLORARE L’UNIVERSO E LA SUA ORIGINE


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