Il “fotone oscuro” è una ipotetica nuova particella elementare predetta teoricamente da diverse estensioni del Modello Standard. Esso ha proprietà simili a quelle del fotone ordinario – in particolare i numeri quantici – ma, a differenza di esso, possiede una massa non nulla e la sua interazione con le particelle cariche è fortemente soppressa. Recentemente, misure sperimentali di decadimenti nucleari di 4He e 8Be per creazione di coppia interna hanno evidenziato un possibile segnale a supporto di questa ipotesi, dovuto ad un fotone oscuro di massa circa 17 MeV/c – il cosidetto “bosone X17”. Questi risultati hanno avuto un grande impatto nella comunità scientifica e nei media [1]: se confermata, l'esistenza del bosone X17 sarebbe la prima inequivocabile evidenza di nuova fisica oltre la conoscenza attuale.
L’esperimento HPS (“Heavy Photon Search”) presso il Jefferson Laboratory (Newport News, Virgina, USA) ha come obiettivo la ricerca del fotone oscuro, sfruttando il meccanismo di produzione di tipo Bremmstrahlung da parte di un fascio di elettroni di alta energia che incide su un bersaglio sottile in Tungsteno. Il fotone oscuro e' cercato misurando le coppie elettrone-positrone prodotte dal suo decadimento con uno spettrometro ad alta accettanza costituito da un tracciatore in Silicio ed un calorimetro elettromagnetico in cristalli di Tungstato di Piombo. HPS ha già completato due primi periodi di presa dati preliminari, con limitata copertura statistica, i cui risultati hanno dimostrato la validità e le prestazioni dell’esperimento.

Questo progetto di tesi ha come obiettivo lo studio di fattibilità per una misura dedicata alla ricerca della particella X17, determinando i parametri ottimali del setup sperimentale al fine di massimizzare la sensibilità al segnale. Tale studio verrà realizzato tramite simulazioni Montecarlo, sfruttano gli strumenti di calcolo già sviluppati in HPS. I risultati così ottenuti saranno discussi dal tesista con l’intera collaborazione durante uno dei meeting di collaborazione negli USA, e costituiranno la base per la futura misura.

[1] https://edition.cnn.com/2019/11/22/world/fifth-force-of-nature-scn-trnd/index.html