ASTROPARTICLE PHYSICS
Anno accademico 2019/2020 - 2° anno - Curriculum ASTROPHYSICS, Curriculum NUCLEAR AND PARTICLE PHYSICS e Curriculum THEORETICAL PHYSICSCrediti: 6
SSD: FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE
Organizzazione didattica: 150 ore d'impegno totale, 108 di studio individuale, 42 di lezione frontale
Semestre: 1°
Obiettivi formativi
Il corso si propone di approfondire alcune tematiche relative alla fenomenologia delle astroparticelle, soffermandosi sia sugli aspetti sperimentali che fenomenologici, mettendo in risalto i legami con la fisica delle particelle elementari e il legame con le osservazioni di carattere astrofisico e cosmologico e l’importanza e la complementarità fornita dallo studio delle proprietà di diversi messaggeri (RC, gamma, neutrini). Lo studente acquisirà una comprensione critica, in particolare, tematiche di grande attualità come l’origine della materia e dell’energia oscura, la fisica dei neutrini, le proprietà e le tecniche di rivelazione dei raggi cosmici.
Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding)
Comprensione critica dei principi fondamentali sui cui si base la nostra conoscenza della fisica astroparticellare. Comprensione del legame con la fisica delle particelle e con l’astrofisica e la cosmologia. Comprensione dei metodi di misura e delle tecniche di ricerca.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)
Capacità di identificare gli elementi distintivi nella fisica dei raggi cosmici, dei neutrini e dei fenomeni galattici ed extra-galattici di altissima energia. Capacità di comprendere le analogie e le differenze tra le misure dirette e indirette. Capacità di estrapolare i concetti appresi a ricerche future. Capacità di identificare gli elementi chiave per le ricerche di materia oscura e energia oscura.
Abilità comunicative (communication skills).
Competenze nella comunicazione nell’ambito della Fisica delle Astroparticelle, utilizzo del linguaggio scientifico e della terminologia tipica della Fisica astroparticellare.
Capacità di apprendimento (learning skills).
Acquisizione di adeguati strumenti conoscitivi per l'aggiornamento continuo delle conoscenze e della capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo della fisica delle astroparticellare che in ambiti contigui.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
L'insegnamento viene svolto con lezioni frontali e qualche piccola esperienza, se possibile, in laboratorio.
Prerequisiti richiesti
Non sono richieste propedeuticità obbligatorie ma sono consigliati i corsi “Meccanica quantistica avanzata”, “Fisica delle Particelle 1”, “Teoria delle Interazioni Subnucleari", “Fisica delle Particelle 2”, “Relatività Generale”.
Frequenza lezioni
La frequenza delle lezioni è fortemente consigliata perchè molti argomenti sono di difficile reperimento in libri di testo
Contenuti del corso
Fisica dei Raggi Cosmici: proprietà dei RC e tecniche di rivelazione
Fisica dei Neutrini: proprietà e tecniche di rivelazione
Materia oscura: proprietà ed esperimenti per la ricerca diretta e indiretta.
Energia oscura: proprietà ed esperimenti.
Testi di riferimento
Il corso si base essenzialmente su dispense e appunti che vengono distribuiti nel corso delle lezioni
Programmazione del corso
| Argomenti | Riferimenti testi | |
|---|---|---|
| 1 | • Richiami sui costituenti elementari della materia e sulle loro interazioni: quarks, leptoni, gluoni, fotoni, W+, W-, Z0, interazioni forti, deboli ed elettromagnetiche. Il Modello Standard delle interazioni elettrodeboli | |
| 2 | • Complementarità fra studio dei Raggi Cosmici e studio delle particelle elementari e delle loro interazioni agli acceleratori. | |
| 3 | • Flusso differenziale, spettro e composizione dei Raggi Cosmici primari. Raggi Cosmici primari e secondari. | |
| 4 | • Cenni sulla morfologia della Galassia | |
| 5 | • Meccanismi di Accelerazione dei raggi cosmici. | |
| 6 | Sorgenti astrofisiche e galattiche dei raggi cosmici. | |
| 7 | Il Cutoff di Greisen-Zatsepin-Kuzmin | |
| 8 | Equazioni di trasporto dei raggi cosmici primari e secondari nell'atmosfera | |
| 9 | Sviluppo di sciami nell'atmosfera | |
| 10 | • Metodi di osservazione/studio dei flussi di Raggi Cosmici primari nello spazio, nell'atmosfera, sulla Terra per energie fino a >1022 eV : rivelazione di protoni, fotoni, nuclei pesanti, muoni, neutrini, sciami estesi | |
| 11 | • Gamma astronomia | |
| 12 | • Proprietà di interazione dei neutrini, richiamo sullo sviluppo della teoria delle interazioni deboli e del modello standard delle interazioni elettro-deboli. Interazioni semileptoniche e puramente leptoniche di neutrini. | |
| 13 | • Neutrini di Dirac e di Majorana. | |
| 14 | • Oscillazioni di neutrini. Studio delle "oscillazioni di neutrini": neutrini solari, spettro dei neutrini solari, neutrini atmosferici. Meccanismo See-Saw. | |
| 15 | • Esperimenti con neutrini e tecniche di rivelazione. | |
| 16 | • Cenni di cosmologia. Evoluzione dell’Universo. Big Bang Nucleosynthesis. | |
| 17 | • Cosmic Microwave Background. | |
| 18 | • Materia ed energia oscura. Possibili sorgenti di materia oscura. Cold e Hot Dark Matter. | |
| 19 | • Fisica oltre il Modello Standard. Modello Supersimmetrico minimale. Weakly Interactive Massive Particles | |
| 20 | • Esperimenti diretti ed indiretti per la ricerca di Materia Oscura. | |
| 21 | • Esperimenti per la ricerca dell’Energia Oscura. SNIA. Diagramma di Hubble. Barionic Acoustic Oscillations. | |
| 22 | • Risultati dell’esperimento Planck. |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
Metodi e criteri di valutazione dell’apprendimento: l’esame verterà in una prova orale volta alla verifica delle capacità critiche dello studente di confrontarsi con le problematiche fenomenologiche e sperimentali proprie della fisica delle astroparticelle. Si verificherà la capacità e la chiarezza di esposizione, l’abilità ad inquadrare il tema richiesto in un contesto generale e la capacità di utilizzo degli strumenti fisici e di calcolo appresi.
Criteri per l’attribuzione del voto finale: il voto finale scaturirà dall’esito della prova orale in cui il peso maggiore sarà dato alle capacità critiche mostrate dallo studente.
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
Spettro dei raggi cosmici
Meccanismo di accelerazione di Fermi
Evidenze di DM