La recente osservazione di anomalie nelle distribuzioni angolari delle coppie e+e- prodotte nei decadimenti degli stati eccitati di 8Be ed 4He, riportate da un gruppo di ricerca presso i laboratori di Atomki a Debrecen in Ungheria, ha sollevato l'ipotesi che esse siano dovute ai decadimenti di una nuova particella, chiamata X17, la cui massa è stata stimata valere ~17MeV. Già dalle sue prime evidenze nel 8Be, sono emerse diverse possibili interpretazioni teoriche per X17, basate su modelli di settori oscuri. Sebbene X17 non possa essere un fotone oscuro secondo i modelli più generali, sarebbe compatibile con tutti i limiti esistenti, a patto che il suo accoppiamento con i quark sia piccolo rispetto a quello con i leptoni. L'accoppiamento dominante ai leptoni, insieme alla piccola massa di X17, rendono l'esperimento PADME ai laboratori Nazionali di Frascati il candidato ideale per la sua ricerca.
Tra i modi di produzione di X17, quello potenzialmente più promettente, è il processo e+e- ->X17->e+e-, quando l'energia del centro di massa della coppia eguagli la massa dell'X17, producendo una risonanza nella sezione d'urto di produzione. Per ottenere tale risultato con un bersaglio fisso, sono necessari positroni di energia di circa 280 MeV. Attualmente il LINAC dei laboratori di Frascati è l'unico acceleratore al mondo in grado di produrre positroni di energia variabile nella regione 100-500 MeV.
Questo canale di produzione soffre però di un fondo molto importante dovuto agli eventi di diffusione elastica QED (e+e- ->e+e-) in cui un positrone del fascio urta un elettrone atomico del bersaglio. Lo scopo del progetto è quello di studiare in dettaglio la fenomenologia della produzione risonante di X17, ed il relativo fondo proveniente da diffusione elastica, al fine di valutare la sensitività dell'esperimento PADME a tale canale di produzione e stimare le condizioni di presa dati necessarie per ottenere una conferma dell'esistenza o una definitiva esclusione per X17.
In tutti i modelli DP in cui si sfrutta il meccanismo del mixing cinetico, ogni processo di produzione di DP è accompagnato da un equivalente processo di QED. Di norma il processo dark ha una rate 1/eps^2 volte minore del processo SM, a causa della soppressione dell'accoppiamento dei DP a particelle SM.
Per tale ragione, la regione dello spazio dei parametri di X17 rimasta inesplorata è particolarmente difficile da raggiungere. L'alto fondo dovuto ad eventi QED, unito all'alta soppressione dei rate di produzione degli eventi dark (eps^2
Se si vuole esplorare la regione tra eps=2e-3 ed eps=6e-4, è molto vantaggioso utilizzare meccanismi di produzione di X17 in cui il rapporto tra la componente dark e quella SM sia molto maggiore di eps^2. La differenza principale tra X17 ed un fotone, è che il primo ha una massa diversa da zero.
L'innovatività della ricerca proposta, risiede proprio nel cercare di sfruttare questa differenza ed in particolare la caratteristica di particelle massive di avere una sezione d'urto di produzione che segue la curva di distribuzione di Breit-Wigner. Sebbene nel caso di particele dark con piccolo accoppiamento la larghezza di tale distribuzione sia estremamente stretta, ci sono alcuni interessanti vantaggi che vale la pena di esplorare:
- La sezione d'urto al picco della risonanza non dipende da eps^2 ma solo la larghezza della risonanza vi dipende.
- La sezione d'urto totale è proporzionale ad eps^2alpha, minima soppressione tra i diagrammi di produzione di X17.
- Essendo il fondo QED sostanzialmente constante nell'intorno di 280 MeV, mentre la produzione di X17 varia di oltre 3 ordini di grandezza non appena si raggiunge la soglia di produzione risonante, il fondo può essere facilmente ricavato dai dati raccogliendo campioni sotto la soglia di produzione di X17. La ricerca di X17 può essere condotta sottraendo ai dati raccolti in risonanza campioni raccolti ad energie minori di quella della risonanza. Questo rende la ricerca del tutto indipendente da simulazioni Montecarlo e potrebbe permettere la rivelazione di eccessi anche molto piccoli.
- Contrariamente alla ricerca sin ora condotta da NA64, nel caso di PADME si potrebbero misurare simultaneamente sia la sezione d'urto che la massa della particella in oggetto. La sezione d'urto può essere calcolata dalla quantità di segnale in eccesso rispetto alle previsioni del modello standard o al fondo misurato al di sotto della risonanza, mentre la massa può essere ricavata dall'energia del fascio a cui si presenta il picco di risonanza.
Non sono stati sino ad ora realizzati esperimenti, ne sono previste nel prossimo futuro proposte, in cui si realizza una ricerca di X17 tramite annichilazione risonante di positroni su bersaglio fisso.
Con questo progetto si può puntare a definire le condizioni sotto cui PADME, o un esperimento diverso ma basato su fasci di positroni con energia alla soglia della risonanza, potrebbe chiudere completamente la regione di accoppiamento eps=2e-3 ed eps=6e-4 portando alla scoperta o ad una definitiva esclusione della nuova particella X17 invocata come spiegazione dell'anomalia del 8Be e 4He.
In qualunque caso il contributo di PADME sarebbe essenziale nel restringere il campo delle possibili spiegazioni dell'anomalia.