Il progetto LEAPS

Il progetto "Low Energy Avenues in Particles Searches (LEAPS)" è un progetto finanziato come un FIS2 Starting Grant di 1,3M€ dal Ministero dell'Università e della Ricerca. (CUP: B53C25003020001)

Gli obiettivi

Il progetto indaga diverse nuove direzioni nello studio di particelle leggere e debolmente interagenti. Nello specifico, la dark matter sub-GeV e i neutrini, da un punto di vista sia teorico che sperimentale. Esplora quattro direzioni principali.

• Misure della massa del neutrino con il progetto PTOLEMY: PTOLEMY mira a misurare la massa del neutrino raggiungendo un rate di eventi e una risoluzione energetica senza precedenti. Questo può essere fatto studiando lo spettro degli elettroni emessi dal decadimento β del Trizio atomico depositato su un substrato di grafene. Il progetto LEAPS è dedicato allo sviluppo di una teoria completa per tale processo, con l'obiettivo di calcolare sistematicamente lo spettro energetico atteso, includendo tutti gli effetti di materia condensata coinvolti. Tale risultato costituirebbe il fondamento teorico del progetto PTOLEMY, fornendo la previsione da confrontare con i dati sperimentali.

• Rilevazione diretta della dark matter sub-GeV con nanostrutture di carbonio idrogenate: Le ricerche in laboratorio di particelle di dark matter più leggere del GeV sono rese difficili dall'energia estremamente piccola rilasciata al rilevatore tramite il rinculo elastico standard della dark matter dai nuclei del rilevatore. Il progetto LEAPS cerca di superare questa difficoltà impiegando una nuova classe di bersagli: nanostrutture di carbonio idrogenate come il grafene e i nanotubi. Una particella di dark matter che colpisce un nucleo di idrogeno può, infatti, estrarlo dalla struttura. La firma sperimentale di tale evento è così l'emissione di una particella carica, che può essere facilmente accelerata e rilevata. Questo processo è estremamente promettente grazie alla soglia energetica molto bassa e alla possibile direzionalità dei nanotubi di carbonio, che fornirebbero uno strumento fondamentale per la discriminazione del fondo. Il progetto svilupperà la descrizione teorica sia della probabilità di emissione che della dinamica del protone emesso. Stabilirà anche il quadro sperimentale per cercare di realizzare l'esperimento proposto. In particolare, studieremo la crescita e la caratterizzazione delle nanostrutture idrogentate, così come la calibrazione del rilevatore.

• Rilevazione diretta di dark matter sub-MeV e di assioni al meV con antiferromagneti: Gli antiferromagneti, e in particolare l'Ossido di Nichel, sono potenzialmente target ottimali per cercare dark matter sub-MeV con interazioni con il Modello Standard che dipendono dallo spin. Questo è dovuto all'accidentale vicinanza tra la velocità di propagazione delle fluttuazioni di spin nell'Ossido di Nichel e la velocità tipica della dark matter. Inoltre, poiché le onde di spin negli antiferromagneti hanno generalmente gap energetici dell'ordine del meV, potrebbero essere in grado di sondare il possibile accoppiamento assione-elettrone per della massa dell'assione ancora inesplorati. Il progetto LEAPS mira a sviluppare la teoria che descrive l'interazione tra dark matter, onde di spin e campi elettromagnetici. Questo sarà fatto basandosi pesantemente su metodi di teoria effettive di campo, con l'obiettivo finale di determinare osservabili realistici per una possibile implementazione sperimentale di questa idea.

• L'effetto Migdal: L'effetto Migdal è un processo in cui, in seguito al rilascio di energia e impulso a un nucleo, uno degli elettroni nelle sue vicinanze viene eccitato o ionizzato. Sfruttando questo fenomeno, le collaborazioni sperimentali esistenti stanno estendendo la loro sensibilità a modelli di dark matter che interagisce con i nucleoni, a masse al di sotto del limite tradizionale del GeV. Esperimenti leader come Xenon e DarkSide impiegano liquid nobili (Xenon e Argon, rispettivamente) come bersagli. Nonostante la rilevanza dell'effetto Migdal, una teoria che descrive il suo verificarsi nei liquidi nobili non è mai stata sviluppata. Il progetto colmerà questa lacuna, formulando una descrizione sistematica dell'interazione tra dark matter, nuclei ed elettroni in un ambiente liquido con alta polarizzabilità. Tale teoria può anche gettare luce sulla attuale discrepanza tra le previsioni teoriche e la mancanza di prove sperimentali per l'effetto Migdal in Xenon liquido.