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FISICA ASTROPARTICELLARE

Anno accademico 2017/2018 - 2° anno - Curriculum ASTROFISICA, Curriculum FISICA NUCLEARE E SUB-NUCLEARE e Curriculum FISICA TEORICA
Docente: Alessia Rita TRICOMI
Crediti: 6
SSD: FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE
Organizzazione didattica: 150 ore d'impegno totale, 108 di studio individuale, 42 di lezione frontale
Semestre:

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.


Prerequisiti richiesti

Non sono richieste propedeuticità obbligatorie ma sono consigliati i corsi “Meccanica quantistica avanzata”, “Fisica delle Particelle 1”, “Teoria delle Interazioni Forti", “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

 *ArgomentiRiferimenti 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. 
* Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame.

N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame.

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