Pur non essendoci vere e proprie propedeuticità, si presuppone che gli studenti abbiano una certa conoscenza della metodologie sperimentali tipiche della fisica nucleare e subnucleare. In particolare risulta utile aver frequentato i corsi “Fisica Nucleare e Subnucleare” (laurea triennale) e “Laboratorio di Fisica delle Particelle Elementari” (laurea magistrale).

Col termine "Fisica Astroparticellare" si indica quell'insieme di studi, attività sperimentali e indagini teoriche, al confine tra l'astrofisica, la cosmologia e la fisica delle particelle elementari. Da una parte, la strumentazione e i metodi tipici degli esperimenti ai grandi acceleratori vengono utilizzati nella ricerca di segnali provenienti dallo spazio esterno. Dall'altra, nell'universo vengono prodotte particelle (neutrini, protoni, raggi gamma) di altissima energia e la disponibilità di tali fasci naturali permette di eseguire misure diversamente impensabili in laboratorio. Infatti molti ritengono che i segnali di nuova fisica verranno dalle astroparticelle e non dagli acceleratori costruiti dall’uomo.

Gli studi di fisica astroparticellare sono in continua, rapida ed entusiasmante evoluzione e il corso intende fornire un quadro abbastanza completo e continuamente aggiornato di tali studi. Le principali tematiche, trattate sia da un punto di vista fenomenologico che strettamente sperimentale, sono: la fisica dei raggi cosmici,  l’astronomia gamma e neutrinica, le onde gravitazionali e la materia oscura.

Alla fine del corso gli studenti …

- avranno acquisito una conoscenza abbastanza approfondita ed aggiornata dei principali settori della fisica astroparticellare (conoscenze e comprensione)

- saranno in grado di comprendere i risultati dei principali esperimenti di fisica astroparticellare, interpretare grafici e dati numerici, in relazione ai modelli fisici proposti (capacità di applicare conoscenze e comprensione)

- sapranno valutare la significatività dei dati sperimentali, sempre in relazione al modello fisico che si intende confermare o viceversa smentire (autonomia di giudizio)

- saranno in grado di presentare in maniera sintetica, ma completa i risultati dei diversi esperimenti, utilizzando disegni schematici dei rivelatori e rappresentazioni grafiche delle misure (abilità communicative)

- avranno ben chiaro che la fisica astroparticellare è una branca della fisica in continua evoluzione e potranno seguirne autonomamente gli sviluppi futuri (capacità di apprendimento)

Lezioni frontali

Colloquio orale

Introduzione – Generalità sulla fisica astroparticellare [SPU 1.1].

Tecniche di rivelazione [SPU 3.1, 3.2, 3.3, 3.4] -  Sviluppo di sciami in atmosfera, modello di Heitler [SPU 4.3.1]. Rivelatori per misure dirette (spettrometri e calorimetri). Rivelatori al suolo per sciami estesi [SPU 4.6, 7.6, 7.8, 9.2] e telescopi Cerenkov [SPU 9.1].

Raggi cosmici (RC) – Introduzione [SPU 1.2]. La scoperta dei RC [SPU 2.1] e nuove particelle [SPU 2.2, 2.3]. Generalità sullo spettro dei RC [SPU 2.5, 2.6]. I RC nella galassia [SPU 2.7]. Cenni ai RC dal Sole [SPU 2.8]. Effetti del campo geomagnetico [SPU 2.9]. Densità di energia nella galassia [SPU 2.10] e considerazioni energetiche sui RC [SPU 2.11]. Cenni circa il rivelatore AMS-02 [SPU 3.5]. Composizione elementale dei RC [SPU 3.6, 3.7], il fenomeno della spallazione [SPU 5.1]. Cenni sulle tecniche di datazione [SPU 5.2, BEN III.3]. Tempi di permanenza e confinamento dei RC nella galassia (leaky box) [SPU 5.4, 5.5]. Meccanismi stocastici di accelerazione [SPU 6.1, 6.4]: gli specchi magnetici e i due modelli di Fermi. Energia massima da supernova [SPU 6.3].

Sciami in atmosfera - Interazione dei RC nell'atmosfera terrestre e produzione di sciami [SPU 4.1, 11.4]. Struttura dell’atmosfera [SPU 4.2]. Sciami elettromagnetici [SPU 4.3] e sciami adronici [SPU 4.4]. Il flusso dei RC al ginocchio [SPU 4.9]. I RC alle energie più alte [SPU 7.3, 7.4] e le perdite energetiche ipotizzate [SPU 7.5]. Misure e modelli dello spettro dei RC alle energie più alte [SPU 7.9, 7.10].

Neutrini da supernova – Cenni alla fisica delle supernovae [SPU 12.10, 12.11]. Neutrini da supernova [SPU 12.12]. La supernova 1987A [SPU 12.13] e limite sulla massa dei neutrini [PER 7.9, STA 3.1.4].

Astronomia a molti messaggeri – Connessioni tra RC, neutrini e gamma [SPU 10.1]. Diversi meccanismi di emissione gamma: adronici [SPU 8.2, 8.3] e leptonici [SPU 8.4].

Astronomia neutrinica – Rivelazione di neutrini astrofisici anche grazie ad array di superficie [SPU 10.1, 10.2, 10.3]. Telescopi operativi e progetti futuri [SPU 10.7]. Prime misure di neutrini astrofisici [SPU 10.9].

Astronomia gamma – Introduzione [SPU 8.1]. Tecniche di rivelazione: satelliti [SPU 8.5, 8.6], telescopi Čerenkov [SPU 9.1] ed EAS array [SPU 9.2]. Cenni alle sorgenti galattiche [SPU 8.7, 8.8, 8.9, 9.3, 9.4]. La nebulosa del Granchio [SPU 9.5]. La ricerca delle sorgenti dei raggi cosmici [SPU 9.6, 9.7, 9.8]. Cenni alle sorgenti extragalattiche [SPU 9.9, 9.10, 9.11, 9.12]. Il rivelatore FERMI-LAT.

Onde gravitazionali - L'osservazione del sistema binario PSR 1913+16 [PER 6.14]. Rivelazione delle onde gravitazionali: barre risonanti, interferometri [PER 6.15]. Le misure di LIGO e VIRGO [PRL 116 (2016) 061102]. Contemporanea osservazione di onde gravitazionali e Gamma Ray Burst [arXiv:1710.05834,www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817]

Materia Oscura - Effetti gravitazionali ed evidenza della materia oscura [SPU 13.3]. Il lensing gravitazionale [PER 4.2] ed il microlensing [PER 4.3] per la ricerca di materia oscura barionica. Ipotesi sulla materia oscura non barionica [SPU 13.4, 13.5; PER 4.6]. Misure dirette (esperimento DAMA-LIBRA, XENON) ed indirette [SPU 13.8, 13.9]. Misure indirette ed anomalie nelle misure di positroni ed antiprotoni nel flusso dei raggi cosmici [SPU 3.9, 13.9].

Bibliografia

• D. PERkins "Particle Astrophysics", Oxford University Press (2003, Oxford)
• M. SPUrio “Particles and Astrophysics”, Springer (2015, Heidelberg)

Eventuali letture di approfondimento

Auger Coll. "Measurement of the cosmic ray energy spectrum above 2.5 x 10^18 eV using the Pierre Auger Observatory" Phys. Rev. D 102 (2020)

Y. Fukuda et al. (Super-Kamiokande Collaboration) “Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos”, Phys. Rev. Letters 81 (1989) 1562

M. Ambrosio et al. (MACRO Collaboration) “Measurement of atmospheric neutrino-induced upgoing muon flux using MACRO”, Physics Letters B 434 (1998) 451

Q.R. Ahmad et al. (SNO Collaboration) “Direct evidence for neutrino flavor transformation from neutral-current interactions in the Sudbury Neutrino Observatory”, Phys. Rev. Letters 89 (2002) 011301

K. Hirata et al. (Kamiokande Collaboration) “Observation of a neutrino burst from the Supernova SN1987A”, Phys. Rev. Letters 58 (1987) 1490

IceCube Collaboration “Evidence of High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector”, Science 342 (2013) 1242856

IceCube, Fermi-LAT, Magic … Collaborations “Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A”, Science 361 (2018) eaa1378

B.P. Abbott et al. (LIGO and Virgo Collaborations) “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”, Phys. Rev. Lett. 116 (2016) 061102

B.P. Abbott et al. “Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB 170817A”, Astrophys. Journal Letters 848 (2017) L13

E. Aprile et al. (XENON Collaboration) “Excess electronic recoil events in XENON1T”, Phys. Rev. D 102 (2020) 072004

M. Spurio ”Particles and Astrophysics”, Springer 

D-H. Perkins "Particle Astrophysics"