A Multi-disciplinary Approach to Dark Matter Searches

Una gran parte dell'Universo e' composta da un tipo non luminoso di materia, che e' intrinsecamente distinto da tutta la materia nota. Le prove d'esistenza di questa cosiddetta Materia Oscura si estendono da scale sotto-galattiche a scale cosmologiche e suggeriscono che la Materia Oscura contribuisca per circa l'80-85% alla materia totale nel nostro Universo. Comprendere la natura della Materia Oscura e individuarne le proprieta' e' uno dei problemi piu' importanti della fisica moderna. Interfacciando fisica delle particelle, cosmologia e astrofisica, la ricerca della Materia Oscura mette insieme aree di competenza tradizionalmente distanti, come ad esempio la ricerca di nuova fisica agli acceleratori di particelle, la fisica dei raggi cosmici, l'astronomia dei raggi gamma e rilevatori sotteranei a basso background. Negli ultimi anni, numerosi risultati sperimentali rilevanti per la ricerca della Materia Oscura sono stati resi noti innescando un grande entusiasmo nel campo. Una grande quantita' di dati e' inoltre prevista per il prossimo futuro, soprattutto con i risultati del Large Hadron Collider, il lancio del rivelatore di raggi cosmici Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02 e l'avvento di una nuova generazione di esperimenti sotterranei. In questo contesto, diversi candidati per la Materia Oscura proposti vari anni fa, come ad esempio le particelle massive di interazione debole (WIMPs, in inglese), saranno messi alla prova. Questa tesi si propone di collegare dei modelli di Materia Oscura alle loro evidenze sperimentali nei rivelatori attuali e futuri. Per quanto riguarda la rivelazione diretta, un'attenzione speciale e' riservata all'eccesso di elettroni/positroni recentemente riportato, che può in linea di principio essere spiegato con annichilazioni di Materia Oscura nella nostra Galassia. Al fine di vericare questa possibilita' si e' sviluppata un'analisi multi-messenger combinando i vincoli forniti da diversi canali astrofisici come gli antiprotoni, i raggi gamma e i segnali radio. Un notevole miglioramento rispetto ai lavori precedenti consiste nell'inclusione autoconsistente della sottostruttura galattica secondo i risultati delle ultime simulazioni numeriche. Viene anche redatto un ampio insieme di vincoli fenomenologici sulla sezione d'urto di annichilazione di Materia Oscura per porre dei limiti sull'espansione precedente alla Big Bang Nucleosintesi. Inoltre, vengono analizzate le possibilità di differenziare un'interpretazione dell'eccesso di elettroni/positroni in termini di Materia Oscura da un'interpretazione astrofisica in termini di pulsar nel quadro del Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02. Le incertezze che entrano nel calcolo dei segnali di Materia Oscura sono molto signicative e limitano la nostra capacita' di estrarne le proprieta' in caso di scoperta. Pertanto, valutare tutte le incertezze e' cruciale, e una grande porzione di questa tesi e' dedicata a tale argomento. In particolare, proviamo a capire quali siano le prospettive di misurare i parametri di propagazione dei raggi cosmici con AMS-02. Oltre ad essere un oggetto di estrema rilevanza astrofisica per se, la propagazione svolge un ruolo centrale nell'interpretazione degli eccessi di raggi cosmici, come accade nella frazione di positroni. Un'altra quantita' importante che non si conosce attualmente con esattezza e' la densita' locale di Materia Oscura; la corrispondente incertezza sistematica e' stimata facendo uso di recentissime simulazioni numeriche di galassie spirali. La densita' locale e la forma sconosciuta della distribuzione di velocita' nella vicinanza del sole si traducono in grandi incertezze sul tasso di dispersione della stessa su esperimenti di rivelazione diretta. Facendo uso di possibilita' sperimentali realistiche, si valuta come tali incertezze influenzino la ricostruzione della massa di Materia Oscura e sezioni d'urto di diusione e si quantifica la complementarita' tra diversi materiali-bersaglio, come ad esempio xenon, argon e germanio.