Investigazione sulla materia oscura nell’Universo ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso

Osservazioni astrofisiche e considerazioni cosmologiche hanno evidenziato come nell’Universo ci sia presenza di una grande quantità di Materia Oscura e come essa debba essere in maniera preponderante in forma di particelle relitte dal Big Bang. Le osservazioni astrofisiche hanno mostrato come anche localmente nella nostra Galassia la presenza di Materia Oscura in forma di particelle relitte debba essere dominante; questo ha motivato le attività per la sua rivelazione indiretta e diretta. In particolare, giacché sia le tecniche di rivelazione indiretta che molte delle tecniche di rivelazione diretta considerate possono dare solo risultati dipendenti dai modelli astrofisici, nucleari e di Fisica delle particelle assunti (e dai valori adottati per i relativi parametri teorici e sperimentali) - ed hanno quindi un impatto relativo - la collaborazione DAMA ha proposto e realizzato un esperimento, DAMA/NaI (parte sensibile: ~100 kg di scintillatori NaI(Tl) di bassa radioattività intrinseca) in grado di investigare in modo efficace la marcatura detta della modulazione annuale del tasso di conteggio, originariamente suggerita negli anni 80 da Freese et al.. Tale marcatura è indipendente da modelli (particolare di primaria importanza considerando, ad esempio, che anche le caratteristiche della(e) particella(e) di Materia Oscura e il tipo di interazione con la materia ordinaria sono sconosciuti così come le reali caratteristiche dell’alone galattico oscuro) ed è altamente distintiva giacché richiede la soddisfazione di molti requisiti specifici. L’esperimento ha raccolto dati su sette cicli annuali ed ha anche investigato molti altri processi rari (ad alcune di queste ultime analisi ho anche contribuito, ma non sono oggetto di questa tesi). In questa tesi, dopo aver discusso i vari aspetti relativi alla evidenza di Materia Oscura dell’Universo e alle possibili particelle candidate, viene descritto l'apparato DAMA/NaI, sito nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, e le sue caratteristiche principali. In particolare, per minimizzare il contributo del fondo, l’esperimento DAMA/NaI è stato realizzato con un’accurata selezione di tutti i materiali che lo compongono ed utilizzando delle tecniche appositamente sviluppate. La bassa radioattività intrinseca, la grande massa sensibile, la bassa soglia energetica e le adeguate condizioni di misura hanno permesso a DAMA/NaI di raggiungere la sensibilità necessaria all’investigazione della marcatura della modulazione annuale del tasso di conteggio. Viene, quindi, presentata l’analisi - indipendente da modelli - dei dati raccolti durante sette cicli annuali (esposizione totale 107731 kg·d; diversi ordini di grandezza superiore a quelle disponibili nel campo da altre attività sperimentali). Il risultato ha mostrato la presenza di un effetto a 6.3 s C.L., che soddisfa tutti i requisiti della marcatura. Tutti i possibili effetti sistematici o side reactions sono stati investigati e nessuno in grado di dar conto dell’ampiezza di modulazione misurata e di soddisfare tutti i requisiti della marcatura è stato trovato (né suggerito da altri). La tesi discute, quindi, alcune delle molte possibili analisi corollarie sullo studio della natura della particella candidata, introducendo anche molti argomenti di carattere generale e di confronto. Sono state ad esempio considerate, nei modelli analizzati, particelle candidate con interazioni indipendenti dallo Spin (SI), con interazioni dipendenti dallo Spin (SD), interazioni miste (SI&SD) ed interazioni SI preferenzialmente anelastiche; in tutti i casi si sono ottenute molte configurazioni compatibili con il segnale osservato. Anche alcuni confronti con le aspettazioni nel caso di un neutralino nel modello MSSM o con uno scenario di una componente di neutrino pesante di 4-famiglia, hanno fornito molte configurazioni interessanti. Molti altri scenari sono possibili ed alcuni nuovi modelli sono in corso di studio, quali aloni non termalizzati ipotizzabili in base a recenti osservazioni su galassie satelliti della Via Lattea, che potrebbero presentare delle code di marea nei dintorni del Sistema Solare. L'esperimento DAMA/NaI ha concluso la presa dati a Luglio 2002 e, grazie ad un nuovo sforzo di R&D, l'apparato DAMA/LIBRA (Large sodium Iodide Bulk for RAre processes), la cui parte sensibile è costituita da ~250 kg di NaI(Tl) molto radiopuro, è stato allestito ed ha iniziato la presa dati a Marzo 2003. In questa tesi sono, quindi, introdotte alcune delle caratteristiche e delle prospettive di DAMA/LIBRA mostrando come questo esperimento potrà permettere su una esposizione adeguata sia una maggiore sensibilità per l’investigazione della componente di particelle di Materia Oscura e delle caratteristiche dell’alone galattico sia risultati molto competitivi nella ricerca di altri processi rari.