Teoria delle interazioni fondamentali

Le particelle elementari note e le interazioni fondamentali tra esse sono descritte dal cosiddetto Modello Standard (MS) della fisica delle particelle, che è la teoria quantistica di campo che ingloba la teoria unificata dell’interazione elettromagnetica e debole (interazione elettrodebole) e la cromodinamica quantistica (interazione forte). All’interno del gruppo di teoria delle interazioni fondamentali si studiano i fenomeni legati alla teoria elettrodebole, quali il problema della naturalezza della massa del bosone di Higgs o il problema della stabilità del vuoto elettrodebole. Un'altra parte delle attività è dedicata allo studio di proprietà fondamentali dell’Interazioni Forte: quali il “confinamento”, la generazione dinamica della massa degli adroni e le proprietà della “Hot and dense QCD matter” che ha permeato l’Universo primordiale ed è creata nei collisori ultra-relativistici al LHC del CERN.

QCD non-perturbativa e generazione dinamica della massa

Docenti: Fabio Siringo
Quasi tutta la massa presente nell'universo ha origine dal processo di generazione dinamica della massa, un meccanismo che alle basse energie trasforma i "current quarks" (privi di massa) in "constituent quarks" dotati di una massa pari ad un terzo della massa del protone. Purtroppo, la teoria perturbativa standard smette di funzionare proprio alle basse energie, e le nostre conoscenze su tale meccanismo si basano essenzialmente sui risultati di simulazioni numeriche effettuate con reticoli finiti dalle dimensioni molto limitate. Recentemente, abbiamo sviluppato un metodo di calcolo totalmente analitico che consente lo studio della teoria di Yang-Mills e della QCD a basse energie. Il metodo consiste essenzialmente nella modifica del centro dello sviluppo perturbativo standard, e fornisce espressioni analitiche esplicite, molto accurate, per i propagatori, che sono i mattoni fondamentali per costruire una descrizione analitica della QCD da principi primi. Naturalmente, c'è ancora molto lavoro da fare. Per una lista di pubblicazioni recenti: https://arxiv.org/search/?searchtype=author&query=Siringo%2C+F

Teoria del trasporto relativistica per QCD ad alta temperatura

Docenti: Vincenzo Greco; Salvatore Plumari; Marco Ruggieri
Nelle collisioni tra nuclei alle energie del TeV (1012 eV) si produce uno stato transiente di plasma di quark e gluoni (QGP) in rapida espansione. Il QGP è la materia che ha permeato l’Universo nei primi 10 microsecondi. Sviluppando in regimi inesplorati teorie del trasporto relativistiche, che incorporano i recenti sviluppi della QCD su reticolo e delle teorie di Yang-Mills ad alta densità si predicono e interpretano le osservabili delle collisioni ultra-relativistiche al CERN che ri-creano “la Hot-QCD matter”. E’ stato così possibile capire che tale stato della materia si comporta da fluido quasi perfetto ed attualmente è in studio il processo di rapida termalizzazione e il ruolo delle fluttuazioni quantistiche di stato inziale. Viene, inoltre, studiato l’impatto che le proprietà del QGP hanno sull’espansione dell’Universo primordiale.

Adronizzazione del quark-gluon plasma

Docenti: Vincenzo Greco; Salvatore Plumari
Uno dei processi fondamentali della QCD è l’adronizzazione che trasforma i quark e gluoni nei protoni e neutroni che nel nucleo atomico costituiscono la materia ordinaria che ci circonda. La ricerca degli ultimi decenni ha mostrato che tale processo è fortemente modificato dalla presenza del mezzo di QCD, cioè in collisioni nucleari sopra la scala del TeV e quindi nell’Universo primordiale. Attualmente si studiano le differenze tra l’adronizzazione in AA, pA, e pp rispetto alle collisioni e+e- o e-p. Il gruppo di Catania ha sviluppato modelli di adronizzazione che hanno correttamente predetto il notevole aumento della produzione di barioni sia nel settore dei quark leggeri che in quello dei quark pesanti. E’ attualmente in studio l’ulteriore sviluppo teorico di tali modelli a partire dal lagrangiane effettive di QCD.

Dinamica dei quark pesanti nelle collisioni relativistiche

Docenti: Vincenzo Greco; Salvatore Plumari; Marco Ruggieri
Le collisioni nucleari pp, pA e AA al LHC del CERN permettono di studiare la dinamica dei quark pesanti (charm e bottom) nella Hot QCD matter. Si è osservato che a differenza della produzione iniziale, determinata dalla QCD perturbativa, la loro dinamica nel mezzo è altamente non-perturbativa. Il coefficiente di termalizzazione (e/o il coefficiente di diffusione) può raggiungere i valori minimi predetti da teorie supersimmetriche nel limite di coupling infinito (AdS/CFT). Il gruppo di Catania più recentemente ha proposto i quark pesanti come sonde degli enormi campi magnetici iniziali (1018 Gauss) che potrebbero generare una rottura topologica della simmetria CP nelle interazioni forti ad alte temperature.

Bosone di Higgs e naturalezza

Docenti: Vincenzo Branchina
L’identificazione al Large Hadron Collider (LHC) del bosone di Higgs, ingrediente fondamentale del Modello Standard, è una delle più importanti scoperte degli ultimi anni. Tuttavia, sebbene il Modello Standard descriva egregiamente le interazioni tra le particelle note, diverse questioni restano aperte. Si pensi ad esempio al problema della asimmetria materia-antimateria nell’Universo. Tra i problemi aperti, di grande importanza per il progresso delle nostre conoscenze sulle interazioni fondamentali è il cosiddetto problema della “naturalezza” della massa del bosone di Higgs. A causa delle “fluttuazioni quantistiche”, la massa del bosone di Higgs dovrebbe avere un valore molto più grande di quello misurato. Una delle line di ricerca del gruppo consiste nella ricerca e nello studio del meccanismo fisico che “protegge” la massa del bosone di Higgs dall’acquisire un valore così grande e nello stesso tempo spieghi perché il valore misurato è di (circa) 125 GeV.

Stabilità del vuoto elettrodebole

Docenti: Vincenzo Branchina
Il Modello Standard non è una teoria completa e la ricerca della cosiddetta “nuova fisica”, ovvero della fisica oltre il Modello Standard, è una delle forze trainanti per la ricerca in fisica (teorica e sperimentale) delle particelle. In questa ricerca l'analisi di stabilità del vuoto elettrodebole riveste un ruolo molto importante. Sappiamo che, a causa delle correzioni quantistiche al potenziale di Higgs, il vuoto elettrodebole non è il vero “ground state” della teoria, ma piuttosto uno stato metastabile, detto “falso vuoto”, e che il nostro universe si trova attualmente in tale stato. Una delle line di ricerca del gruppo, all’interfaccia tra fisica delle particelle e cosmologia, consiste nello studio della condizione di stabilità di questo “falso vuoto”, in particolare del ruolo che la “nuova fisica” gioca nella determinazione del tempo di decadimento, ovvero del “tunneling time” dal falso al vero vuoto.

 

Cromodinamica Quantistica ad alta densità

Docenti: Marco Ruggieri
Nella materia ordinaria i quark e i gluoni, che sono gli ingredienti fondamentali della teoria delle interazioni forti (Cromodinamica Quantistica, QCD) sono confinati all’interno degli adroni, in particolare dei protoni e dei neutroni che formano i nuclei atomici. Tuttavia, aumentando la densità nucleare gli adroni diventano talmente impacchettati che i quark e i gluoni che li compongono possono propagarsi da un adrone all’altro: in queste condizioni estreme si forma una fase in cui i quark sono deconfinati. Quando la densità dei quark è molto alta, l’interazione forte conduce a stati esotici della materia in cui i quark formano coppie di Cooper, analogamente agli elettroni in un superconduttore: si parla in questo caso di superconduttività di colore. Ci sono indicazioni piuttosto robuste che per valori asintotici di densità, e per materia con tre flavor (u, d, s), la fase superconduttiva energeticamente favorita sia la Color-Flavor-Locked phase; alle densità realizzate in natura, ad esempio all’interno delle stelle di neutroni, condizioni di neutralità elettrica, di equilibrio beta, nonché le condizioni dettate dalle masse finite dei quark, rendono l’individuazione della fase superconduttiva complicata, anche se l’uso di modelli effettivi permette di avere un’idea semi-quantitativa di quali fasi siano realizzabili. Il nostro apporto a questo campo di ricerca include la trattazione teorica delle varie fasi di QCD ad alta densità con metodi di teoria dei campi efficaci, nonchè applicazioni allo studio del cuore di un oggetto stellare compatto (stella di neutroni) e all’interazione con assioni.