Breve aggiornamento Breve aggiornamento sullo stato e prospettive della sullo stato e prospettive della

ricerca diretta di Materia Oscuraricerca diretta di Materia Oscura

Antonio Masiero

Padova, 12 Maggio 2010

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

WIMPS (Weakly Interacting Massive

Particles)

#~# m

# exp(-m/T)# does not change any more

Tdecoupl. typically ~ m /20

depends on particle physics (annih.) and “cosmological” quantities (H, T0, …

h2_ ~ 10-3

<(annih.) V > TeV2

~ 2 / M2 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)

COSMO – PARTICLE

CONSPIRACY

STABLE ELW. SCALE WIMPs from STABLE ELW. SCALE WIMPs from PARTICLE PHYSICS PARTICLE PHYSICS

1) ENLARGEMENT OF THE SM

SUSY EXTRA DIM. LITTLE HIGGS. (x, ) (x, ji) SM part + new part

Anticomm. New bosonic to cancel 2

Coord. Coord. at 1-Loop2) 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 + ΩL h2 OK

* But abandoning gaugino-masss unif. Possible to have mLSP down to 7 GeV

mLSP

~100 - 200

GeV *

mLKP

~600 - 800

GeV

mLTP

~400 - 800

GeV

Bottino, Donato, Fornengo, Scopel

DM and the SUSY parameter space

D. Cerdeno, WONDER10

DM and Extra Dimensions

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 TeV1 fb-1 : discovery up to ~ 1.5 TeV

W’ : Tevatron limit ~ 1 TeV (95% C.L)

10 pb-1 : exclusion up to 1 TeV100 pb-1 : discovery up to ~ 1.3 TeV1 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 GeV1 fb-1 : discovery up to ~ 800 GeV

˜ q , ˜ g

LHC will start to compete with the Tevatron in 2010, and should take over in 2011 in most cases.

FABIOLA GIANOTTI, La Thuile 2010

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 DMsinergia LHC - DM

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

ELENA APRILE, WONDER10ELENA 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 finaleQualche 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 IL GRAN SASSO HA UN VERO ASSO NELLA MANICA CON LA ASSO NELLA MANICA CON LA

RICERCA DI MATERIA OSCURARICERCA DI MATERIA OSCURA: come tutti gli assi, bisogna giocarli

al momento giusto e con decisione, esser bravi e …avere

un po’ di fortuna