Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Prospects of probing dark matter models in CEνNS at ESS

Cretu, Stefan LU (2025) FYSK04 20251
Department of Physics
Particle and nuclear physics
Abstract
In this work, we study how Coherent Elastic Neutrino Nucleus scattering processes can be used to probe both B-L as well as Li-Lj dark matter models. While the B-L model is assumed to have no kinetic mixing, the whole interaction coming from the Standard Model particle’s coupling to the dark gauge field, the Li-Lj requires mixing to be detectable. The influence of free parameters (the dark coupling, the dark boson mass, the kinetic mixing) is discussed. Moreover, we run calculations based on the parameters of the European Spallation Source, quantifying the possibility of probing these models at this research facility. The results show that the models that couple to all Standard Model particles directly can be probed with high confidence... (More)
In this work, we study how Coherent Elastic Neutrino Nucleus scattering processes can be used to probe both B-L as well as Li-Lj dark matter models. While the B-L model is assumed to have no kinetic mixing, the whole interaction coming from the Standard Model particle’s coupling to the dark gauge field, the Li-Lj requires mixing to be detectable. The influence of free parameters (the dark coupling, the dark boson mass, the kinetic mixing) is discussed. Moreover, we run calculations based on the parameters of the European Spallation Source, quantifying the possibility of probing these models at this research facility. The results show that the models that couple to all Standard Model particles directly can be probed with high confidence levels even for short data collection times, while the addition of kinetic mixing can enhance the signals even further. Moreover, for the Li-Lj model, the existence of kinetic mixing is mandatory for our ability to detect dark matter signals. Lastly, we try to put this work in line with other current experiments and give a perspective for possible further developments (Less)
Popular Abstract (Romanian)
De la seriale la afirmații incredibile spuse la știri, materia și energia întunecată au fost mereu aceste forțe sau stări ale materiei presente departe de noi. Deși pot suna înfricoșător, aceste concepte sunt foarte comune în împrejurimile noastre (cosmologice), reprezentând mai mult de 90 la sută din energia din Univers, ceea ce face înțelegerea lor și mai de dorit. Energia întunecată este una dintre forțele care a ghidat expansiunea Universului încă de la Big Bang. Pe cealaltă parte, materia întunecată reprezintă majoritatea maselor galaxiilor, influențând mișcarea și evoluția lor. Încă de la primele propuneri pentru modele care pot descrie materia întunecată in anii 1900, dezvoltarea unor aparate tot mai precise, capabile să le... (More)
De la seriale la afirmații incredibile spuse la știri, materia și energia întunecată au fost mereu aceste forțe sau stări ale materiei presente departe de noi. Deși pot suna înfricoșător, aceste concepte sunt foarte comune în împrejurimile noastre (cosmologice), reprezentând mai mult de 90 la sută din energia din Univers, ceea ce face înțelegerea lor și mai de dorit. Energia întunecată este una dintre forțele care a ghidat expansiunea Universului încă de la Big Bang. Pe cealaltă parte, materia întunecată reprezintă majoritatea maselor galaxiilor, influențând mișcarea și evoluția lor. Încă de la primele propuneri pentru modele care pot descrie materia întunecată in anii 1900, dezvoltarea unor aparate tot mai precise, capabile să le cerceteze, a fost țelul multor oameni de știință. Această lucrare este focusată pe materia întunecată și, mai ales, modul în care aceasta poate influența rezultatele unor experimente. Pentru a ne atinge țelurile, presupunem că există interacțiuni între materia întunecată și materia vizibilă printr-o particula, un mediator, care nu face parte din teoria curentă a fizicii particulelor (Modelul Standard), dând posibilitatea celor două tipuri de materie să se influențeze reciproc prin mai mult decât gravitație.

În altă ordine de idei, ultimii ani au adus îmbunătățiri semnificative în detectoare senzitive la energii mici. Un proces fascinant care permite studierea acestui interval energetic este Împrăștierea Coerentă și Elastică Neutrino Nucleu (en. Coherent Elastic Neutrino Nucleus Scattering; abreviere: CEvNS). Chiar daca numele este relativ complex, înțelegerea procesului este fascinant de ușoară. Imaginați-vă că aruncați o minge de Ping Pong (un neutrino) către o bilă de bowling (nucleul). Mingea de Ping Pong, fiind ușoară, lovește mingea de bowling, este deviată, și își continuă drumul. Deoarece impactul este foarte ușor, nu poate sparge mingea de bowling (forma nucleului nu este afectată), interacțiunea rezultând într-o deplasare foarte mică a mingii mai grele (chiar dacă nu vedem deplasarea mingii de bowling, ea există), aceasta fiind sursa semnalului nostru. Unii ar putea crede că detectarea unei deplasări atât de mici este greu de realizat (acești "unii" ar avea dreptate și o provocare curenta este îmbunătățirea senzitivității detectoarelor), dar avantajul acestui proces este că, datorită intervenției studiate, probabilitatea ca ele sa se întâmple este foarte mare. Mai mult decât a demonstra inovațiile in materie de detectoare, procesele CEvNS au o plajă largă de aplicații. Datorita senzitivității la energii mici, experimentele pot detecta chiar și abateri foarte mici de la Modelul Standard, permițând atât de îmbunătățirea valurilor curente ale parametrilor cât și, mai relevant pentru noi, cercetarea posibilei influențe a unor particule noi, foarte ușoare (mediatorul nostru, sperăm).

Această lucrare a fost scrisă datorită posibilității de a folosi Sursa Europeană de Spalatie (en. European Spallation Source), sursa de neutroni locată în Lund, ca o sursă pentru neutrino, reprezentând o oportunitate excelentă pentru experimente bazate pe procese CEvNS. Chiar daca investigăm doar două din multele modele existente, procedurile și analizele sunt destul de generale, oferind o imagine de ansamblu pentru modul în care se poate realiza detectarea mediatorilor asociați materiei întunecate. (Less)
Popular Abstract
From TV shows to incredible claims on the news, dark matter and dark energy have always been imagined as these mysterious forces or states of matter present far, far away. While they can sound scary and confusing, these concepts are very common in our local (cosmological) surroundings, accounting for more than 90 percent of all the energy in the Universe, making their understanding even more desirable. Dark energy is one of the forces that has been guiding the expansion of the Universe since the Big Bang. On the other hand, dark matter constitutes the vast majority of the mass of galaxies, strongly influencing their evolution and movements. Ever since the first proposals of dark matter models in the 1900s, developing more sensitive and... (More)
From TV shows to incredible claims on the news, dark matter and dark energy have always been imagined as these mysterious forces or states of matter present far, far away. While they can sound scary and confusing, these concepts are very common in our local (cosmological) surroundings, accounting for more than 90 percent of all the energy in the Universe, making their understanding even more desirable. Dark energy is one of the forces that has been guiding the expansion of the Universe since the Big Bang. On the other hand, dark matter constitutes the vast majority of the mass of galaxies, strongly influencing their evolution and movements. Ever since the first proposals of dark matter models in the 1900s, developing more sensitive and more precise experiments capable of probing them has been a goal of many scientists. This thesis was focussed on dark matter and how it could influence our current experimental results. To achieve this, we assumed that there exists a possible interaction between dark matter and ordinary matter (that constitutes what we can see around us) through a particle, a mediator, that is not part of our current theory of particle physics (the Standard Model), thus, allowing the two types of matter to influence each other through more than just gravity.

On a different note, the last few years have seen significant improvements in low-energy detectors. An exciting process allowing researchers to study this energy range is Coherent Elastic Neutrino Nucleus Scattering (or CEνNS). While the name is quite complicated, understanding the process is fascinatingly easy. Imagine you shoot a ping pong ball (the neutrino) towards a still bowling ball (the nucleus). The light ping pong ball hits the bowling one, deflects, and continues on its way. Since the strength of the impact is so small, it cannot affect the form of the nucleus (as the ping pong ball cannot break the bowling ball), resulting in a very small movement (even if you do not see the bowling ball moving, it ever-so-slightly does), this being the signal the detectors are looking for. One could say that such a small displacement would be very hard to detect (that one would indeed not be wrong and it is an ongoing challenge to improve our ability to see all these small effects), but the novelty of this process is that, due to the nature of the interactions involved, their probability to happen is considerably high. More than just proving the developments in detector technologies, CEνNS have a wide range of applications. Since the developed experiments have a high sensitivity to low-energy events, experiments can observe even small deviations from the Standard Model expected signal, allowing for either refining the already measured values of different parameters or, more relevant for this work, detecting the influence of novel, new, light particles (hopefully, our mediator).

This thesis work was carried out in light of using the European Spallation Source, the neutron source located in Lund, as a neutrino source, providing an excellent opportunity for CEνNS-based experiments. While we are only studying two models out of the plethora of existing ones, the procedures and analysis used are quite general, offering an insight into how the detection of dark mediators can be done. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Cretu, Stefan LU
supervisor
organization
course
FYSK04 20251
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
dark matter, dark boson, dark photon, CEvNS, coherent, scattering, ESS, European Spallation Source, B-L, Li-Lj
language
English
id
9198964
date added to LUP
2025-06-16 08:27:51
date last changed
2025-06-16 08:27:51
@misc{9198964,
  abstract     = {{In this work, we study how Coherent Elastic Neutrino Nucleus scattering processes can be used to probe both B-L as well as Li-Lj dark matter models. While the B-L model is assumed to have no kinetic mixing, the whole interaction coming from the Standard Model particle’s coupling to the dark gauge field, the Li-Lj requires mixing to be detectable. The influence of free parameters (the dark coupling, the dark boson mass, the kinetic mixing) is discussed. Moreover, we run calculations based on the parameters of the European Spallation Source, quantifying the possibility of probing these models at this research facility. The results show that the models that couple to all Standard Model particles directly can be probed with high confidence levels even for short data collection times, while the addition of kinetic mixing can enhance the signals even further. Moreover, for the Li-Lj model, the existence of kinetic mixing is mandatory for our ability to detect dark matter signals. Lastly, we try to put this work in line with other current experiments and give a perspective for possible further developments}},
  author       = {{Cretu, Stefan}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Prospects of probing dark matter models in CEνNS at ESS}},
  year         = {{2025}},
}