Breve aggiornamento sullo stato e prospettive della ricerca diretta di Materia Oscura Antonio Masiero Padova, 12 Maggio 2010.

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1 Breve aggiornamento sullo stato e prospettive della ricerca diretta di Materia Oscura Antonio Masiero Padova, 12 Maggio 2010

2 TEN COMMANDMENTS TO BE A GOOD DM CANDIDATE 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 BERTONE, A.M., TAOSO

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4 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 _ ~ 10 -3 TeV 2 ~ 2 / M 2 From T 0 M Planck h 2 in the range 10 -2 -10 -1 to be cosmologically interesting (for DM) m ~ 10 2 - 10 3 GeV (weak interaction) h 2 ~ 10 -2 -10 -1 !!! THERMAL RELICS ( WIMP in thermodyn.equilibrium with the plasma until T decoupl ) COSMO – PARTICLE CONSPIRACY

5 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 + L h 2 OK * But abandoning gaugino-masss unif. Possible to have m LSP down to 7 GeV m LSP ~100 - 200 GeV * m LKP ~600 - 800 GeV m LTP ~400 - 800 GeV Bottino, Donato, Fornengo, Scopel

6 DM and the SUSY parameter space D. Cerdeno, WONDER10

7 DM and Extra Dimensions

8 8 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 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 SUSY ( ) : Tevatron limit ~ 400 GeV (95% C.L) 100 pb -1 : discovery up to ~ 400 GeV 1 fb -1 : discovery up to ~ 800 GeV LHC will start to compete with the Tevatron in 2010, and should take over in 2011 in most cases. FABIOLA GIANOTTI, La Thuile 2010

9 Supponiamo di trovare (parte dello spettro di) particelle SUSY a LHC: possiamo ricostruire chi sia lo LSP, candidato WIMP di DM?

10 …ma se insieme troviamo la DM sinergia LHC - DM

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13 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

14 ELENA APRILE, WONDER10

15 Elena Aprile for the XENON Coll., WONDER10 at LNGS, March 23, 2010

16 HOOPER ET AL. 2010

17 XENON100 Collaboration arXiv:1005.0380 [astro-ph.CO] submitted to PRL

18 Prospect with a 1-ton detector with noble liquids E. Aprile, WONDER10

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24 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

25 IL GRAN SASSO HA UN VERO ASSO NELLA MANICA CON LA RICERCA DI MATERIA OSCURA 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