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Progetto

Flavors: dark and intense

Codice

PRIN202289JEW4

Descrizione

L’obiettivo principale di questo progetto è indagare le connessioni tra la fisica del sapore e la materia oscura. Verranno derivate implicazioni sperimentali e teoriche di possibili soluzioni comuni a due grandi problemi aperti della fisica delle particelle: l’origine delle masse e dei mescolamenti di sapore dei fermioni elementari e la natura della materia oscura. Questo sarà fatto seguendo tre diverse strategie: lo studio di nuova fisica alla scala del TeV nel settore del sapore; nuove ricerche di materia oscura attraverso esperimenti di sapore; esplorazione di modelli di materia oscura dotata di sapore e settori oscuri. Questi argomenti saranno al centro di molte attività di ricerca in fisica delle particelle nei prossimi anni. La maggior parte dei fondi sarà destinata all’assunzione di tre ricercatori post-dottorato altamente qualificati a Pisa, Firenze e Roma, al fine di costruire un team competitivo in grado di affrontare i diversi obiettivi del progetto nelle aree di interesse: sapore, materia oscura e fisica dei collider.

Description

The main aim of this project is to investigate connections between flavor physics and dark matter. We will derive experimental and theoretical implications of possible common solutions to two major open problems in particle physics: the origin of masses and flavor mixings of the elementary fermions, and the nature of dark natter. We will do this following three different strategies: the study of TeV-scale new physics in the flavor sector; novel searches for dark matter with flavor experiments; the exploration of models of flavored dark matter and dark sectors. These topics will be at the core of the investigations in particle physics in the next few years. The main part of the funding will be used to hire three highly qualified postdoctoral researchers in Pisa, Florence, and Rome, building a competitive team able to address the diverse physics goals of the project in the areas of interest: flavor, dark matter, and collider physics.

Obiettivi

Esploreremo la fenomenologia della nuova fisica alla scala del TeV nel settore del sapore, sfruttando la grande quantità di dati che gli esperimenti forniranno nei prossimi anni. Particolare attenzione sarà rivolta ai processi molto rari, alle violazioni dell’universalità del sapore leptonico e ai collegamenti tra misure di precisione e ricerche ad alta energia nei collider. Simultaneamente, utilizzeremo i dati sperimentali degli stessi esperimenti di sapore per cercare la materia oscura in modi innovativi, sfruttando così appieno il loro potenziale. Infatti, le misure di precisione in esperimenti ad alta intensità possono essere test molto efficaci di settori oscuri contenenti nuove particelle con massa inferiore a pochi GeV. Molte segnature sperimentali in questo contesto hanno ricevuto poca attenzione finora, e una sinergia proficua tra teoria ed esperimenti potrebbe portare a progressi qualitativi nel corso di questo progetto. Infine, studieremo modelli in cui la materia oscura è parte di un settore oscuro dotato di sapore, contenente quindi varie nuove particelle che interagiscono in modo non banale tra loro e con le diverse famiglie di materia visibile. Svilupperemo integrazioni naturali della materia oscura in modelli di nuova fisica capaci di spiegare le gerarchie dei fermioni del Modello Standard.

Goals

We will explore the phenomenology of TeV-scale new physics in the flavor sector, taking advantage of the large amount of data that experiments will provide in the coming years. Particular attention will be given to very rare processes, to lepton flavor universality violations, and to the interplay between precision measurements and high-energy searches at colliders. At the same time, we will use the experimental data from the same flavor experiments to search for Dark Matter in novel ways, thus allowing to fully exploit their physics potential. In fact, precision measurements at high intensity experiments can be among the most powerful probes of Dark Sectors with new particles lighter than few GeV. Many signatures in this context have received little attention until now, and a fruitful synergy between theory and experiments can make qualitative progress over the timespan of this project. Finally, we will investigate models where Dark Matter is part of a flavored Dark Sector, containing various new particles interacting in a non-trivial way among themselves and with the different families of visible matter. We will build natural embeddings of Dark Matter in new physics models that could explain the hierarchies of the SM fermions.

Risultati attesi

-Studio dei test di sapore e CP per nuova fisica pesante, utilizzando nuovi dati da LHCb, Belle II, NA62 e altri esperimenti nel settore leptonico.
-Studio di modelli con singoletti scalari leggeri tramite esperimenti di sapore.
-Classificazione di modelli di nuova fisica leggera che portano a decadimenti del muone con violazione del sapore leptonico e prospettive per Mu3e e altri esperimenti.
-Studio della produzione di particelle “axion-like” in esperimenti ad alta intensità.
-Studio di modelli con particelle di materia oscura dotata di sapore e mediatori leptoquark. Classificazione di modelli capaci di spiegare le anomalie del muone.
-Studio della sensibilità di futuri esperimenti di collider per vari modelli di materia oscura e visibile, inclusa l’analisi dei momenti di dipolo leptonico nei collider ad alta energia.

Expected results

-Study of flavor and CP probes of heavy new physics, using new data from LHCb, Belle II, NA62, as well as experiments in the lepton sector.
-Study of models with light scalar singlets at flavor factories.
-Classification of light new physics models leading to lepton-flavor violating muon decays and prospects for Mu3e and other experiments.
-Study of axion-like particle production at high-intensity facilities.
-Study of models with flavored dark matter particles, and leptoquark mediators. Classification of models able to address the muon anomalies.
-Study of the sensitivity of future collider experiments for various models of dark and visible matter. This includes probes of lepton dipole moments at high-energy colliders.

Budget totale progetto

€ 188.525,00

Contributo