Study of the sensitivity of the XENON1T experiment with the profile likelihood method

Oggi sappiamo che la materia ordinaria rappresenta solo una piccola parte dell'intero contenuto in massa dell'Universo. L'ipotesi dell'esistenza della Materia Oscura, un nuovo tipo di materia che interagisce solo gravitazionalmente e, forse, tramite la forza debole, è stata avvalorata da numerose evidenze su scala sia galattica che cosmologica. Gli sforzi rivolti alla ricerca delle cosiddette WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), il generico nome dato alle particelle di Materia Oscura, si sono moltiplicati nel corso degli ultimi anni. L'esperimento XENON1T, attualmente in costruzione presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) e che sarà in presa dati entro la fine del 2015, segnerà un significativo passo in avanti nella ricerca diretta di Materia Oscura, che si basa sulla rivelazione di collisioni elastiche su nuclei bersaglio. XENON1T rappresenta la fase attuale del progetto XENON, che ha già realizzato gli esperimenti XENON10 (2005) e XENON100 (2008 e tuttora in funzione) e che prevede anche un ulteriore sviluppo, chiamato XENONnT. Il rivelatore XENON1T sfrutta circa 3 tonnellate di xeno liquido (LXe) e si basa su una Time Projection Chamber (TPC) a doppia fase. Dettagliate simulazioni Monte Carlo della geometria del rivelatore, assieme a specifiche misure della radioattività dei materiali e stime della purezza dello xeno utilizzato, hanno permesso di predire con accuratezza il fondo atteso. In questo lavoro di tesi, presentiamo lo studio della sensibilità attesa per XENON1T effettuato tramite il metodo statistico chiamato Profile Likelihood (PL) Ratio, il quale nell'ambito di un approccio frequentista permette un'appropriata trattazione delle incertezze sistematiche. In un primo momento è stata stimata la sensibilità usando il metodo semplificato Likelihood Ratio che non tiene conto di alcuna sistematica. In questo modo si è potuto valutare l'impatto della principale incertezza sistematica per XENON1T, ovvero quella sulla emissione di luce di scintillazione dello xeno per rinculi nucleari di bassa energia. I risultati conclusivi ottenuti con il metodo PL indicano che XENON1T sarà in grado di migliorare significativamente gli attuali limiti di esclusione di WIMPs; la massima sensibilità raggiunge una sezione d'urto σ=1.2∙10-47 cm2 per una massa di WIMP di 50 GeV/c2 e per una esposizione nominale di 2 tonnellate∙anno. I risultati ottenuti sono in linea con l'ambizioso obiettivo di XENON1T di abbassare gli attuali limiti sulla sezione d'urto, σ, delle WIMPs di due ordini di grandezza. Con tali prestazioni, e considerando 1 tonnellata di LXe come massa fiduciale, XENON1T sarà in grado di superare gli attuali limiti (esperimento LUX, 2013) dopo soli 5 giorni di acquisizione dati.

Study of cosmic nuclei fluxes with AMS-02: implication for dark matter search

L’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) é un rivelatore per raggi cosmici (CR) progettato e costruito da una collaborazione internazionale di 56 istituti e 16 paesi ed installato il 19 Maggio del 2011 sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Orbitando intorno alla Terra, AMS-02 sará in grado di studiare con un livello di accuratezza mai raggiunto prima la composizione dei raggi cosmici, esplorando nuove frontiere nella fisica delle particelle, ricercando antimateria primordiale ed evidenze indirette di materia oscura. Durante il mio lavoro di tesi, ho utilizzato il software GALPROP per studiare la propagazione dei CR nella nostra Galassia attraverso il mezzo interstellare (ISM), cercando di individuare un set di parametri in grado di fornire un buon accordo con i dati preliminari di AMS-02. In particolare, mi sono dedicata all’analisi del processo di propagazione di nuclei, studiando i loro flussi e i relativi rapporti. Il set di propagazione ottenuto dall’analisi é stato poi utilizzato per studiare ipotetici flussi da materia oscura e le possibili implicazioni per la ricerca indiretta attraverso AMS-02.

Zoomed simulations of Halo segregation in cosmological models with two species of coupled dark matter

La materia ordinaria copre soli pochi punti percentuali della massa-energia totale dell'Universo, che è invece largamente dominata da componenti “oscure”. Il modello standard usato per descriverle è il modello LambdaCDM. Nonostante esso sembri consistente con la maggior parte dei dati attualmente disponibili, presenta alcuni problemi fondamentali che ad oggi restano irrisolti, lasciando spazio per lo studio di modelli cosmologici alternativi. Questa Tesi mira a studiare un modello proposto recentemente, chiamato “Multi-coupled Dark Energy” (McDE), che presenta interazioni modificate rispetto al modello LambdaCDM. In particolare, la Materia Oscura è composta da due diversi tipi di particelle con accoppiamento opposto rispetto ad un campo scalare responsabile dell'Energia Oscura. L'evoluzione del background e delle perturbazioni lineari risultano essere indistinguibili da quelle del modello LambdaCDM. In questa Tesi viene presentata per la prima volta una serie di simulazioni numeriche “zoomed”. Esse presentano diverse regioni con risoluzione differente, centrate su un singolo ammasso di interesse, che permettono di studiare in dettaglio una singola struttura senza aumentare eccessivamente il tempo di calcolo necessario. Un codice chiamato ZInCo, da me appositamente sviluppato per questa Tesi, viene anch'esso presentato per la prima volta. Il codice produce condizioni iniziali adatte a simulazioni cosmologiche, con differenti regioni di risoluzione, indipendenti dal modello cosmologico scelto e che preservano tutte le caratteristiche dello spettro di potenza imposto su di esse. Il codice ZInCo è stato usato per produrre condizioni iniziali per una serie di simulazioni numeriche del modello McDE, le quali per la prima volta mostrano, grazie all'alta risoluzione raggiunta, che l'effetto di segregazione degli ammassi avviene significativamente prima di quanto stimato in precedenza. Inoltre, i profili radiale di densità ottenuti mostrano un appiattimento centrale nelle fasi iniziali della segregazione. Quest'ultimo effetto potrebbe aiutare a risolvere il problema “cusp-core” del modello LambdaCDM e porre limiti ai valori dell'accoppiamento possibili.

Properties of cosmic voids in dark energy simulations

The last decade has witnessed the establishment of a Standard Cosmological Model, which is based on two fundamental assumptions: the first one is the existence of a new non relativistic kind of particles, i. e. the Dark Matter (DM) that provides the potential wells in which structures create, while the second one is presence of the Dark Energy (DE), the simplest form of which is represented by the Cosmological Constant Λ, that sources the acceleration in the expansion of our Universe. These two features are summarized by the acronym ΛCDM, which is an abbreviation used to refer to the present Standard Cosmological Model. Although the Standard Cosmological Model shows a remarkably successful agreement with most of the available observations, it presents some longstanding unsolved problems. A possible way to solve these problems is represented by the introduction of a dynamical Dark Energy, in the form of the scalar field ϕ. In the coupled DE models, the scalar field ϕ features a direct interaction with matter in different regimes. Cosmic voids are large under-dense regions in the Universe devoided of matter. Being nearby empty of matter their dynamics is supposed to be dominated by DE, to the nature of which the properties of cosmic voids should be very sensitive. This thesis work is devoted to the statistical and geometrical analysis of cosmic voids in large N-body simulations of structure formation in the context of alternative competing cosmological models. In particular we used the ZOBOV code (see ref. Neyrinck 2008), a publicly available void finder algorithm, to identify voids in the Halos catalogues extraxted from CoDECS simulations (see ref. Baldi 2012 ). The CoDECS are the largest N-body simulations to date of interacting Dark Energy (DE) models. We identify suitable criteria to produce voids catalogues with the aim of comparing the properties of these objects in interacting DE scenarios to the standard ΛCDM model, at different redshifts. This thesis work is organized as follows: in chapter 1, the Standard Cosmological Model as well as the main properties of cosmic voids are intro- duced. In chapter 2, we will present the scalar field scenario. In chapter 3 the tools, the methods and the criteria by which a voids catalogue is created are described while in chapter 4 we discuss the statistical properties of cosmic voids included in our catalogues. In chapter 5 the geometrical properties of the catalogued cosmic voids are presented by means of their stacked profiles. In chapter 6 we summarized our results and we propose further developments of this work.

Asymmetric drift and halo flattening in disk galaxies

The main result in this work is the solution of the Jeans equations for an axisymmetric galaxy model containing a baryonic component (distributed according to a Miyamoto-Nagai profile) and a dark matter halo (described by the Binney logarithmic potential). The velocity dispersion, azimuthal velocity and some other interesting quantities such as the asymmetric drift are studied, along with the influence of the model parameters on these (observable) quantities. We also give an estimate for the velocity of the radial flow, caused by the asymmetric drift. Other than the mathematical beauty that lies in solving a model analytically, the interest of this kind of results can be mainly found in numerical simulations that study the evolution of gas flows. For example, it is important to know how certain parameters such as the shape (oblate, prolate, spherical) of a dark matter halo, or the flattening of the baryonic matter, or the mass ratio between dark and baryonic matter, have an influence on observable quantities such as the velocity dispersion. In the introductory chapter, we discuss the Jeans equations, which provide information about the velocity dispersion of a system. Next we will consider some dynamical quantities that will be useful in the rest of the work, e.g. the asymmetric drift. In Chapter 2 we discuss in some more detail the family of galaxy models we studied. In Chapter 3 we give the solution of the Jeans equations. Chapter 4 describes and illustrates the behaviour of the velocity dispersion, as a function of the several parameters, along with asymptotic expansions. In Chapter 5 we will investigate the behaviour of certain dynamical quantities for this model. We conclude with a discussion in Chapter 6.

Axion-like particles and the 3.5 keV line in 4D string models

This work is focused on axions and axion like particles (ALPs) and their possible relation with the 3.55 keV photon line detected, in recent years, from galaxy clusters and other astrophysical objects. We focus on axions that come from string compactification and we study the vacuum structure of the resulting low energy 4D N=1 supergravity effective field theory. We then provide a model which might explain the 3.55 keV line through the following processes. A 7.1 keV dark matter axion decays in two light axions, which, in turn, are transformed into photons thanks to the Primakoff effect and the existence of a kinetic mixing between two U(1)s gauge symmetries belonging respectively to the hidden and the visible sector. We present two models, the first one gives an outcome inconsistent with experimental data, while the second can yield the desired result.

Modelling the size distribution of cosmic voids

The Standard Cosmological Model is generally accepted by the scientific community, there are still an amount of unresolved issues. From the observable characteristics of the structures in the Universe,it should be possible to impose constraints on the cosmological parameters. Cosmic Voids (CV) are a major component of the LSS and have been shown to possess great potential for constraining DE and testing theories of gravity. But a gap between CV observations and theory still persists. A theoretical model for void statistical distribution as a function of size exists (SvdW) However, the SvdW model has been unsuccesful in reproducing the results obtained from cosmological simulations. This undermines the possibility of using voids as cosmological probes. The goal of our thesis work is to cover the gap between theoretical predictions and measured distributions of cosmic voids. We develop an algorithm to identify voids in simulations,consistently with theory. We inspecting the possibilities offered by a recently proposed refinement of the SvdW (the Vdn model, Jennings et al., 2013). Comparing void catalogues to theory, we validate the Vdn model, finding that it is reliable over a large range of radii, at all the redshifts considered and for all the cosmological models inspected. We have then searched for a size function model for voids identified in a distribution of biased tracers. We find that, naively applying the same procedure used for the unbiased tracers to a halo mock distribution does not provide success- full results, suggesting that the Vdn model requires to be reconsidered when dealing with biased samples. Thus, we test two alternative exten- sions of the model and find that two scaling relations exist: both the Dark Matter void radii and the underlying Dark Matter density contrast scale with the halo-defined void radii. We use these findings to develop a semi-analytical model which gives promising results.

Caratterizzazione e calibrazione dei fotomoltiplicatori del sistema di veto di muoni per l'esperimento xenon1t

Alcune osservazioni sperimentali portano ad affermare che la maggior parte della massa dell'universo è costituita da un tipo di materia definita oscura, cioè materia che interagisce solo gravitazionalmente e debolmente. I candidati più promettenti sono tipicamente identificati con le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). L'esperimento XENON1T per la rivelazione di materia oscura, in fase di costruzione nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sfrutta uno spessore di 1.4 km di roccia schermante. Il rivelatore è una Time Projection Chamber contenente circa 2 tonnellate di xeno e avrà sensibilità per sezioni d’urto WIMP-nucleo spin-indipendent pari a circa 2x10-47 cm2 (per WIMP di massa 50 GeV/c2), due ordini di grandezza al di sotto degli attuali limiti. Per raggiungere tale sensibilità la TPC sarà inserita in una tank cilindrica riempita di acqua ultrapura, che fungerà sia da schermo passivo contro la radiazione esterna (gamma e neutroni di bassa energia), sia da veto per i muoni cosmici. I muoni possono infatti produrre neutroni di energia tale da raggiungere la TPC e simulare segnali tipici delle WIMP. Essi sono identificati per via della radiazione Cherenkov, emessa in seguito al loro passaggio in acqua, rivelata per mezzo di 84 fotomoltiplicatori (PMT) 8'' Hamamatsu R5912ASSY HQE. Lo studio delle prestazioni e delle caratteristiche dei PMT utilizzati nel sistema di veto di muoni sono lo scopo di questo lavoro di tesi. In particolare è stato preparato un opportuno setup per i test dei fotomoltiplicatori e sono state effettuate misure di guadagno, dark rate ed afterpulse. In una prima fase sono stati testati in aria 50 PMT presso la Sezione INFN di Bologna, nel periodo compreso tra Novembre 2012 e Marzo 2013 ed in una seconda fase sono stati testati in acqua 90 PMT presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, nel periodo compreso tra Aprile e Settembre 2013.