Analisi teorica e fenomenologica dei segnali di rivelazione diretta di materia oscura

Gli esperimenti di rilevazione diretta, ideati per rivelare lo scattering di particelle di materia oscura sui nuclei di un rilevatore a basso rumore di fondo, sono un strumento cruciale nella ricerca della massa mancante dell'Universo. In questi esperimenti il segnale dovrebbe assumere un caratteristico effetto di modulazione annuale dovuto al moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole. In questa tesi, è rivisto il formalismo teorico della rivelazione diretta e la sua evoluzione temporale. Alla luce di questo modello, sono stati analizzati i dati degli esperimenti DAMA/LIBRA e CoGeNT attualmente disponibili. L'ampiezza dell'effetto di modulazione annuale è determinata dalla funzione distribuzione di velocità delle particelle di materia oscura nell'alone galattico, per cui l'ipotesi standard consiste nel modello a sfera isotropa isoterma. Deviazioni da questa semplice ipotesi possono introdurre distorsioni anche importanti sulle proprietà ricostruite della materia oscura (massa e sezione d'urto di scattering, ottenute dalle analisi degli esperimenti DAMA and CoGeNT). Tuttavia, per il campione testato di funzioni distribuzione di velocità -che va da funzioni analitiche non gaussiane o non isotrope a risultati di simulazioni numeriche N-body con l'aggiunta di una componente di disco oscuro rotante- gli intervalli di massa e sezione d'urto compatibili con i dati sperimentali non presentano variazioni significative. La variazione massima su entrambe i parametri è confinata a un fattore 2. Viene infine analizzata la potenzialità di rimozione della degenerazione nella ricostruzione della massa della materia oscura -attraverso la riduzione di soglia energetica di rinculo nucleare- in un esperimento con ampia statistica come DAMA/LIBRA.

Direct detection experiments, which are designed to detect the scattering of Dark Matter particles on the nuclei of a low-background detector, are a crucial element in the search for the Universe missing mass. The counting rate in these experiments should experience a characteristic annual modulation effect due to the relative motion of the Earth around the Sun. In this dissertation we review the physics of annual modulation, introducing the theoretical derivation of the detection rate and its temporal variation, and we perform detailed analyses of current available data on the annual modulation effect, namely the DAMA/LIBRA and CoGeNT data sets. The key element which determines the scattering rate and its annual modulation is the local velocity distribution of the Dark Matter particles in the halo of our Galaxy, for which the canonical assumption relies on an isotropic isothermal sphere. Deviations from this simple model can change the detector response, even sizably, especially for a specific signature like annual modulation. We therefore investigate the impact that a variation in the velocity distribution modeling has on the reconstructed properties of the Dark Matter particle (its mass and scattering cross section), obtained from analyzing the DAMA and CoGeNT modulation results. We find that viable halo models, ranging from analytical non-Gaussian or non-isotropic velocity distributions, to numerical N-body simulation results with additional rotating dark disk components, do not sizably affect the mass and cross-section range compatible with the data, with a maximal variation confined to a factor less than 2 on mass and less than 4 on cross section. We finally explore the capability of a large-mass, large statistic experiment like DAMA/LIBRA to remove degeneracies in the Dark Matter mass reconstruction by exploiting a foreseen reduction in its low-energy threshold for nuclear recoils.