Fisica sperimentale astroparticellare
L'attività di ricerca in questo ambito della Fisica mira allo studio sperimentale della radiazione e le particelle del cosmo con esperimenti condotti in laboratori di superficie, sotterranei o sottomarini. I gruppi di ricerca del Dipartimento di Fisica e Astronomia sono coinvolti in diversi esperimenti di grande interesse che si svolgono sia in laboratori in Italia che all’estero e con linee di ricerca in fisica applicata su tomografia con muoni cosmici.
Materia oscura: DARKSIDE
C'è una vasta gamma di evidenze astronomiche che le stelle visibili e il gas in tutte le galassie — compresa la nostra — sono immersi in una nube molto più grande di materia non luminosa, che tipicamente contiene quantità di massa molto maggiori. La natura di questo componente non barionico è ancora del tutto sconosciuta, e la risoluzione del “puzzle della materia oscura” (Dark Matter – DM) è di fondamentale importanza per la cosmologia, l'astrofisica e la fisica delle particelle elementari. Uno degli esperimenti di punta in questo settore di frontiera della ricerca in fisica, a cui contribuiscono a livello locale il DFA “Ettore Majorana”, la Sezione INFN di Catania, i Laboratori Nazionali del Sud e il Centro Siciliano di Fisica Nucleare e Struttura della Materia, è rappresentato dall’esperimento DarkSide.
(*apporto esterno nello sviluppo di approcci Machine Learning al trattamento dei dati nell'ambito delle attività del progetto CN-HPC).
Materia oscura: RED
ReD (Recoil Directionality) è un progetto di R&D che nasce all’interno della collaborazione DarkSide per studiare la risposta di una LAr-TPC per rinculi nucleari di energia estremamente bassa (<1KeV) e al variare dell’angolo di rinculo del nucleo (direzionalità). Per caratterizzare i segnali della LAr-TPC in queste condizioni estreme, fino ad ora sperimentalmente inesplorate, oltre alle tecniche di analisi dati più tradizionali, vengono impegate anche moderne tecniche di analisi basate su algoritmi di Machine Learning. È stata già effettuata una prima campagna di presa dati con sorgente di 252Cf presso la Sezione di Catania dell’INFN, mentre una seconda campagna sperimentale è prevista cominciare nel 2026 presso i Laboratori Nazionali del Sud, impiegando una versione migliorata dell’apparato sperimentale.
(*apporto esterno nello sviluppo di approcci Machine Learning al trattamento dei dati nell'ambito delle attività del progetto CN-HPC).
Fisica sperimentale del neutrino
Le caratteristiche dei neutrini, le loro interazioni fondamentali e il loro ruolo sia nel Modello Standard (SM) delle particelle elementari che nei modelli “beyond the SM” sono oggetto di particolare interesse per la comprensione della struttura elementare della materia e delle origini del nostro universo. Tali studi sono condotti in esperimenti che si svolgono in laboratori sia in Italia che all’estero. In particolare, i docenti del DFA sono impegnati in esperimenti di fisica del neutrino condotti presso:
- il Fermi National Laboratory (Illinois, USA): collaborazioni ICARUS e nu@FNAL;
- Kaiping (Jiangmen, Cina): collaborazione JUNO;
- i Laboratori Nazionali del Sud (Catania): collaborazione NUMEN.
I risultati degli esperimenti sono oggetto di avanzati studi teorici di estrema importanza sia per la conoscenza di base dei costituenti fondamentali della materia che per applicazioni ad esempio all’astrofisica, anche multi-messaggera.
Telescopi sottomarini per neutrini di alta energia
Docenti: S. Cherubini, G. Ferrara, I. Tosta e Melo
La ricerca è finalizzata alla identificazione di neutrini generati da potenti sorgenti cosmiche o prodotti nell’annichilazione di materia oscura e nell’interazione tra i raggi cosmici e la radiazione cosmica di fondo. Il progetto bandiera è KM3NeT, condotto da circa 300 ricercatori di 25 paesi, che sta costruendo un rivelatore della dimensione di 1 chilometro cubico negli abissi marini al largo della Sicilia. I dati raccolti dal telescopio permettono di ampliare con le osservazioni di neutrini l’analisi “multimessaggera” dei fenomeni astrofisici, insieme alle osservazioni con fotoni, raggi cosmici e onde gravitazionali. L’apparato è anche uno dei più grandi laboratori sottomarini del mondo per lo studio di fenomeni oceanografici, geofisici e biologici, in collaborazione con partner internazionali come l’infrastruttura di ricerca europea EMSO.
Un contributo essenziale all’analisi dei dati ed alla costruzione, tuttora in corso, dei sensori e dell’infrastruttura proviene dal DFA Ettore Majorana e dai Laboratori del Sud e dalla Sezione INFN di Catania.
Il Progetto EEE
Docenti: P. La Rocca
Il Progetto EEE è una iniziativa didattica e scientifica del Centro Fermi (Roma) e dell’INFN. Il Progetto ha realizzato una rete di rivelatori per raggi cosmici, installati in diverse scuole Italiane. Gli obiettivi scientifici del Progetto includono lo studio del flusso locale dei muoni cosmici, la rivelazione di sciami atmosferici estesi e la ricerca di possibili coincidenze tra rivelatori posizionati a grande distanza. Il Progetto EEE ha inoltre un forte impatto divulgativo, introducendo un grande numero di studenti alle problematiche tipiche della fisica particellare e astroparticellare.
Sviluppo e applicazione di tecniche di tracciamento di raggi cosmici
Docenti: G. Gallo, D. Lo Presti, P. La Rocca
Il progetto MEV (Muography of Etna Volcano) finanziato da MIUR e Linea 2 ha permesso lo sviluppo di tecnologie di tracciamento di raggi cosmici per la misurazione della mappa di densità del cratere di Nord-Est del vulcano Etna. Firmato Accordo internazionale di ricerca per attività congiunte con UniTokyo e Wigner RCP nel 2019. Nel progetto PO-FESR 3DLab-Sicilia, use case MONRAD, si prevede l’impiego del tracciamento di raggi cosmici per il monitoraggio della stabilità di edifici storici.
Astronomia Multimessenger ed Onde Gravitazionali
Docenti: I. Tosta e Melo
Le Onde Gravitazionali (Gravitational Waves, GW) sono previste dalla Relatività Generale come increspature nel tessuto dello spazio-tempo che si propagano alla velocità della luce. Sono generati da molte diverse sorgenti astrofisiche – come binari massicci di buchi neri, coalescenza binaria compatta (come la fusione di due buchi neri o due stelle di neutroni in un sistema binario), esplosioni di supernova, pulsar – o possono essere di origine cosmologica. L’osservazione delle onde gravitazionali fornisce informazioni cruciali e complementari all’osservazione di onde elettromagnetiche (luce, onde radio, raggi-X e gamma) e di particelle elementari (raggi cosmici, neutrini) di origine astrofisica. Il 17 agosto 2017, l'astronomia multi-messaggero correlata ha avuto la sua svolta: la rete LIGO-Virgo ha osservato un segnale di onde gravitazionali di due stelle di neutroni di piccola massa associato a un lampo di raggi gamma rilevato da Fermi-GBM (GW170817, GRB170817A). Da allora, c'è un enorme interesse nello studio degli eventi di astronomia gravitazionale e delle loro controparti per produrre una comprensione significativamente migliore del quadro globale delle fusioni di oggetti compatti. La combinazione dei dati provenienti da rivelatori gravitazionali, di neutrini ed elettromagnetici costituisce il nuovo approccio multi-messaggero che porta a una comprensione più approfondita dei processi astrofisici e cosmologici attraverso la combinazione di informazioni provenienti da diverse esperimenti, un campo della scienza ancora inesplorato all'interno della comunità astronomica nel suo complesso.
