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PARTICLE DARK MATTER
PAOLO SPAGNOLO
Academic year2023/24
CoursePHYSICS
Code427BB
Credits6
PeriodSemester 1
LanguageEnglish

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
PARTICLE DARK MATTERFIS/01LEZIONI36
PAOLO PANCI unimap
PAOLO SPAGNOLO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Gli studenti acquisiranno conoscenze di base teoriche e sperimentali della Fisica della materia oscura e degli strumenti pensati per rivelarla. Il corso partira' dalle evidenze macroscopiche gravitazionali della materia oscura a diverse scale fino agli highlights recenti su metodi sperimentali di rivelazione di WIMP, assioni, ALPS e altre particelle candidate come dark matter. 

Knowledge

Students will acquire the basic subject of Dark Matter Particle Physics and
the tools designed to reveal it.
The course will start from the discovery of dark matter,
the experimental evidence of its existence up to the recent highlights on experimental
detection methods of WIMP, axions, ALPS and other candidate particles as dark matter.

Modalità di verifica delle conoscenze

Con una breve presentazione iniziale a sua scelta il candidato sarà valutato sul grado di apprendimento, di approfondimento e di proprietà di espressione riguardante il materiale scelto. Il candidato sarà anche valutato sul grado di conoscenza del resto del programm teorico e sperimentale.

Metodo

Esame finale orale

Assessment criteria of knowledge

With a brief initial presentation of her/his choice,
the candidate will be assessed on the degree of learning,
depth and properties of expression regarding the chosen material.
The candidate will also be assessed on the degree of knowledge of the rest
of the program. Method
Final oral exam

Capacità

Corso da seguire idealmente al 2o anno di Laurea Magistrale

Modalità di verifica delle capacità

nessuna

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Corso da seguire idealmente al 2o anno di Laurea Magistrale

Indicazioni metodologiche

Lezioni: Frontali

Attività di apprendimento:

partecipazione alle lezioni

Partecipazione: fortemente consigliata

Teaching methods

Frontal lessons Learning activities: participation in lessons Participation: strongly recommended

Programma (contenuti dell'insegnamento)

1) Particle Dark Matter: introduction

2) Cosmology: basic concepts  

3) Gravitational evidence of Dark Matter at different scales

4) CMB power spectrum and growth of density fluctuations

5) Thermodynamics of the early Universe

6) The thermal relic paradigm: "WIMP Miracle"

7) Dark Matter Phenomenology

8) Basics of Dark Matter Direct detection

9) Formalism of Non-relativistic EFT for DM-nucleus scattering

10) Cryogenic detectors for DM direct detection

11) Basics of Dark Matter Indirect detection

12) Indirect detection with gamma-rays: Prompt and secondary emissions from DM annihilations/decays

13) Dark Matter Models

14) Electro-weak multiplets as WIMP prototype

15) Axion DM: basics concepts

16) Non-thermal axion production: misalignement mechanism

17) Experimental methods review

18) Searches at particle colliders

19) Axions and ALPS @colliders

20) Experimental search of Sterile neutrinos

Syllabus

1) Particle Dark Matter: introduction

2) The thermal relic paradigm

3) WIMP direct detection

4) Indirect dark matter detection

5) Searches at particle colliders

6) Axions and ALPS: the light dark matter

7) Sterile neutrinos

8) Experimental methods review

Bibliografia e materiale didattico

"Cosmology", D. Baumann

"The Early Universe": E. Kolb

"A History of Dark Matter", G. Bertone and D. Hooper

"Particle Dark Matter: Evidence, candidates and constraints", G. Bertone and D. Hooper, J. Silk

"An Introduction to Particle Dark Matter", S. Profumo

"The Theory of Direct Detection: A guide to computations", arXiv: 2104.12785

"Tools for model independent bounds in Dark Matter Direct Detection", arXiv:1307.5955

"PPPC4DM: a Poor Particle Physics Cookbook for Dark Matter Indirect Detection", arXiv:1012.4515

"Minimal Dark Matter", hep-ph/0512090

"The landscape of QCD axion models", arXiv:2003.01100

 

 

Indicazioni per non frequentanti

non e' prevista connessione da remoto, il corso e' in presenza

Modalità d'esame

esame finale consisterà nella discussione di una parte del programma a scelta del candidato (30% del giudizio) e di due ulteriori domande sugli argomenti del programma (l'altro 70% del giudizio)

Assessment methods

Final exam will consist in the discussion of a part of the program chosen by the
candidate (30% of the final score) and of two further questions on the topics of
the program (the other 70% of the final score)

Updated: 02/10/2023 15:25