COLLOQUIUM:Il lato oscuro delle forze
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Di che cosa è fatto l’Universo? Questa domanda oggi è più attuale che mai, poiché sappiamo che la materia “ordinaria”, descritta dal Modello Standard, costituisce meno del 5% dell’Universo e solo 1/5 della sua massa totale. Il resto della materia, detta “materia oscura”, potrebbe essere il regno di altre particelle e di una nuova interazione fondamentale che si andrebbe ad aggiungere alle quattro già note. Questa “forza oscura”, in analogia con l’elettromagnetismo, dove il mediatore dell’interazione fra particelle cariche è il fotone, sarebbe mediata da un nuovo bosone, un cugino massivo del fotone detto “fotone oscuro” o “fotone pesante”, in grado di accoppiarsi alle particelle di materia oscura attraverso un analogo della carica elettrica. L’esistenza del fotone oscuro è prevista in diverse estensioni del Modello Standard e potrebbe spiegare alcune anomalie osservate nel campo dell’astrofisica, fra cui l’inatteso eccesso di positroni di alta energia nei raggi cosmici, nonché la discrepanza fra la previsione teorica e il valore misurato del momento magnetico anomalo del muone. In questo Colloquium verrà introdotta la problematica della materia oscura, con particolare attenzione agli aspetti e alle motivazioni legate alla possibile esistenza di una nuova interazione fondamentale. Verranno quindi presentati due esperimenti, HPS (Heavy Photon Search experiment) e BDX (Beam Dump eXperiment), nei quali sono coinvolti ricercatori della Sezione INFN di Catania. A partire dal 2015 l’esperimento HPS cercherà l’esistenza del fotone oscuro al Jefferson Laboratory (JLab) in Virginia-USA. Partendo dall’interazione di un fascio intenso di elettroni con i nuclei di un bersaglio per generare il fotone oscuro, HPS guarderà al suo possibile decadimento “visibile” in coppie e+-e-. Grazie all’utilizzo di un rivelatore in grado di ricostruire con alta risoluzione la massa invariante delle due particelle e il vertice del decadimento, HPS sarà in grado di distinguere questi rarissimi eventi dall’enorme fondo di coppie e+- e- create nei processi di QED, e di cercare il fotone oscuro in una vasta regione dello spazio dei parametri rimasta inaccessibile fino ad oggi. BDX è un esperimento proposto al JLab per la ricerca diretta della materia oscura. Utilizzando il decadimento “invisibile” dei fotoni oscuri, BDX nasce con lo scopo di creare in laboratorio un fascio di particelle di materia oscura e di rivelarle attraverso la loro debole interazione con i nuclei e gli elettroni di un rivelatore. In questo modo BDX potrà cercare l’esistenza del fotone oscuro guardando a quest’altro possibile canale di decadimento, ma anche esplorare direttamente l’esistenza di particelle di materia oscura di massa compresa fra il MeV e il GeV, con una sensibilità superiore di ordini di grandezza rispetto a tutti gli esperimenti ad oggi esistenti.
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