Misura di produzione di antiprotoni in processi all'esperimento AMBER al CERN

This thesis addresses a critical uncertainty in dark matter indirect detection by measuring the antiproton production cross section in hadron interactions. Dark matter, comprising approximately 27% of our universe, remains one of modern physics' greatest mysteries. The Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) model predicts dark matter particles can annihilate, producing Standard Model particle-antiparticle pairs that could be detected as antimatter in cosmic rays. While experiments like AMS-02 have measured antiproton flux with high precision, interpretation remains challenging due to significant uncertainties in background antiproton production from cosmic ray interactions with the interstellar medium. The work of this thesis was carried out within the framework of the antiproton cross-section measurements performed by the AMBER experiment at CERN in proton-proton, proton-helium and proton-deuterium interactions. In 2023 AMBER collected data with a proton beam at six different momenta (from 60 GeV/c up to 250 GeV/c) impinging on a liquid Helium target. In 2024 the measurement was repeated with a liquid Hydrogen and a liquid Deuterium target. Specifically, this thesis work implements the 2024 target geometry in Monte Carlo simulations, enabling full spectrometer simulations and detector performance characterization. Additional contributions include improvements to the 2023 Monte Carlo with a more accurate description of the beam file, obtained with increased statistics. And finally, the study of the stability of the Detector Control System (DCS) parameters during the 2023 data-taking period with the liquid Helium target. Through correlation studies of parameters such as Helium flow rates, temperatures, and pressures, the analysis confirms the excellent performance of the cryogenic system and confirms the independence of the interaction ratio from these environmental variables, thus validating the reliability of the collected data. These developments are fundamental to improve the quality of the MC simulation, with the final goal of reducing the systematic uncertainties on the AMBER measurement of the antiproton cross sections.

Questo lavoro di tesi si occupa di risolvere un’importante incertezza riguardo la rilevazione indiretta di materia oscura, attraverso la misurazione della sezione d'urto di produzione di antiprotoni. La materia oscura, che costituisce circa il 27% del nostro universo, rimane uno dei più grandi misteri della fisica moderna. Modelli teorici prevedono che le particelle di materia oscura (WIMP) possano annichilirsi, producendo coppie particella-antiparticella del Modello Standard che potrebbero essere rilevate come antimateria nei raggi cosmici. Sebbene esperimenti come AMS-02 abbiano misurato il flusso di antiprotoni con alta precisione, l'interpretazione dei dati sperimentali risulta difficile a causa delle incertezze nella produzione di antiprotoni nelle interazioni dei raggi cosmici con il mezzo interstellare, che costituiscono un fondo per questa misura. Il lavoro di questa tesi è stato svolto nell'ambito della misura di sezione d'urto per la produzione di antiprotoni, all'esperimento AMBER al CERN in interazioni pp, pHe e pD. Nel 2023 AMBER ha effettuato misure con un fascio di protoni su un bersaglio a base di elio liquido, con diversi valori di momento da 60 GeV/c a 250 GeV/c. Nel 2024 la misura è stata ripetuta con un bersaglio di idrogeno e deuterio liquido. Nello specifico, questo lavoro di tesi è incentrato sull’implementazione, nella simulazione Monte Carlo, della geometria del nuovo target utilizzato nel 2024, consentendo così di svolgere simulazioni complete con tutto lo spettrometro e di caratterizzare i diversi rivelatori. Ulteriori contributi includono miglioramenti al Monte Carlo 2023, con una descrizione più accurata del beam file, attraverso un incremento della statistica. Infine, si è studiata la stabilità dei parametri del Detector Control System (DCS) durante il primo periodo di acquisizione dati nel 2023 in interazioni pHe. Dallo studio delle correlazioni tra i parametri come il flusso di He3 e He4, temperature e pressioni, e il rate di interazione all’interno del bersaglio, emerge l'eccellente prestazione del sistema criogenico e conferma l'indipendenza del tasso di interazione da queste variabili ambientali, convalidando così l'affidabilità dei dati raccolti. Questi sviluppi sono fondamentali per migliorare la qualità della simulazione MC, con l'obiettivo finale di ridurre le incertezze sistematiche sulla misura della sezione d'urto per la produzione di antiprotoni.