A Multi-disciplinary Approach to Dark Matter Searches

A large portion of the present Universe is composed of a non-luminous kind of matter, which is intrinsically distinct from all mass constituents known to exist. The evidence for this so-called Dark Matter spans sub-galactic to cosmological scales, and strongly suggests that it contributes around 80-85% of the matter content in our Universe. To understand the nature of Dark Matter and pinpoint its properties rests as one of the most exciting problems of modern physics. Lying at the interface between particle physics, cosmology and astrophysics, the quest for Dark Matter brings together areas of expertise traditionally far apart, including for instance the search for new physics at particle colliders, cosmic-ray physics, gamma-ray astronomy and low-background underground detectors. Over the past years, numerous experimental results relevant for Dark Matter searches have been released, triggering a great deal of excitement in the field. Moreover, plenty of data are expected in the near future, especially with the results from the Large Hadron Collider, the launch of the cosmic-ray detector Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02 and the onset of a new generation of underground experiments. In this data-driven context, several Dark Matter candidates proposed long ago, such as Weakly Interacting Massive Particles, will be severely put to test. This thesis aims at linking Dark Matter models and their experimental signatures in current and upcoming detectors. As far as indirect Dark Matter detection is concerned, special attention is paid to the recently reported electron/positron excess in cosmic rays, which can in principle be explained by Dark Matter annihilations in our Galaxy. In order to test this possibility we perform a multi-messenger analysis combining the constraints from different astrophysical channels such as antiprotons, gamma-rays and radio signals. A considerable improvement upon earlier works is the self-consistent inclusion of galactic substructure according to the findings of the latest high-resolution numerical simulations. An extensive picture of phenomenological constraints on Dark Matter annihilation cross-sections is also drawn and used to place limits on the pre-Big Bang Nucleosynthesis expansion of the Universe. Furthermore, we thoroughly analyse the prospects for discriminating a Dark Matter interpretation of the electron/positron excess against an astrophysical interpretation in terms of pulsars with the upcoming Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02. The uncertainties entering the computation of Dark Matter signatures are very significant and ultimately limit our ability to extract the properties of Dark Matter in case of discovery. Therefore, to assess and forecast all relevant uncertainties is crucial, and a large portion of this thesis is devoted to that topic. In particular, we try to understand the prospects for pinpointing cosmic-ray propagation with AMS-02. Besides being a subject of extreme astrophysical relevance per se, propagation plays a central role in the interpretation of cosmic-ray excesses such as the rise in the positron fraction. Another important quantity that is not accurately known as of today is the local Dark Matter density; the corresponding systematic uncertainties are estimated here by making use of very recent high-resolution numerical simulations of spiral galaxies. The poorly constrained local density and the unknown shape of the velocity distribution in the solar neighbourhood translate into large uncertainties on the Dark Matter scattering rate on direct detection experiments. Focusing on realistic upcoming experimental capabilities, we evaluate how such uncertainties affect the reconstruction of the Dark Matter mass and spin-independent scattering cross-section and quantify the complementarity between different target materials, namely xenon, argon and germanium.

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.