FISICA ASTROPARTICELLARE

Insegnamento
FISICA ASTROPARTICELLARE
Insegnamento in inglese
ASTROPARTICLE PHYSICS
Settore disciplinare
FIS/04
Corso di studi di riferimento
FISICA
Tipo corso di studio
Laurea Magistrale
Crediti
7.0
Ripartizione oraria
Ore Attività frontale: 49.0
Anno accademico
2017/2018
Anno di erogazione
2018/2019
Anno di corso
2
Lingua
ITALIANO
Percorso
ASTROFISICA E FISICA TEORICA
Docente responsabile dell'erogazione
BERNARDINI Paolo
Sede
Lecce

Descrizione dell'insegnamento

Pur non essendoci vere e proprie propedeuticità, si presuppone che gli studenti abbiano una certa conoscenza della fisica delle particelle elementari. In particolare risulta utile aver frequentato i corsi “Fisica Nucleare e Subnucleare” (laurea triennale) e “Fenomenologia 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, i neutrini solari ed atmosferici, 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)

Il corso si sviluppa in lezioni cattedratiche, con l’ausilio di immagini e filmati. Domande e interventi da parte degli studenti sono ben accetti ed anzi stimolati.

L’esame finale consiste in un colloquio nel quale il candidato deve trattare due argomenti del programma, uno a sua scelta, l’altro indicato dalla commissione durante il colloquio stesso.

Il dott. Antonio Surdo (Istituto Nazionale Fisica Nucleare. Lecce) introduce il corso con alcune lezioni sulle principali tecniche di rivelazione utilizzate in fisica astroparticellare.

Introduzione – Generalità sulla fisica astroparticellare [SPU 1.1].

Tecniche di rivelazione [SPU 3.1, 3.2, 3.3, 3.4] - L'interazione radiazione-materia (sezione d'urto, diffusione elastica e perdite d'energia, formula di Bethe-Bloch) [LEO 2]. Multiplo scattering. Emissione di luce Cerenkov. L’interazione dei fotoni con la materia (effetto fotoelettrico, effetto Compton e produzione di coppia) [LEO 2]. Sviluppo di sciami in atmosfera, modello di Heitler [SPU 4.3.1]. Rivelatori a ionizzazione (multiple counters, drift chambers, scintillatori) [LEO 6]. Rivelatori per misure dirette (spettrometri e calorimetri). Rivelatori al suolo per sciami estesi (ARGO-YBJ, Pierre Auger Observatory) [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] e il fenomeno della spallazione [SPU 5.1]. Cenni sulle tecniche di datazione [SPU 5.2, BEN III.3]. Confinamento dei raggi cosmici nella galassia (leaky box) [SPU 5.4, 5.5]. Meccanismi stocastici di accelerazione dei RC [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 raggi cosmici 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 cosmici alle energie più alte [SPU 7.3, 7.4] e le possibili interazioni col fondo cosmico a 2.7 K [SPU 7.5]. Misure e modelli dello spettro dei RC alle energie più alte [SPU 7.9, 7.10].

Neutrini atmosferici – Neutrini dal decadimento dei mesoni carichi [SPU 11.3] e neutrini prodotti in atmosfera [SPU 11.7]. Il fenomeno delle oscillazioni [SPU 11.8]. Esperimenti sotterranei SuperKamiokande e Macro [SPU 11.9]. Cenni ad altri esperimenti su lunga base [SPU 11.10].

Neutrini solari - Modelli solare, cicli di fusione nucleare e neutrini [SPU 12.1, 12.2]. Esperimenti dedicati [SPU 12.3]. La misura del Sudbury Neutrino Observatory [SPU 12.4]. Cenni all'esperimento Kamland [SPU 12.5], alle oscillazioni dei neutrini nella materia ed alle condizioni di risonanza [SPU 12.6, 12.7].

Neutrini da supernova – Cenni alla fisica delle supernovae [SPU 12.10, 12.11]. Neutrini da supernova [SPU 12.12]. 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 [SPU 10.1, 10.2, 10.3]. Telescopi operativi e progetti futuri [SPU 10.7]. Prime osservazioni di neutrini astrofisici [SPU 10.9] in coincidenza con un segnale gamma [Science, 361 (2018) eaat1378]

Astronomia con raggi cosmici – Possibile correlazione tra raggi cosmici di altissima energia (UHE) e nuclei galattici attivi [SPU 7.3, 7.11].

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 gamma 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 gamma extragalattiche [SPU 9.9, 9.10, 9.11, 9.12].

Onde gravitazionali (cenni) - Potenza emessa da un quadropolo gravitazionale [PER 6.13]. Evidenza dell'emissione di onde gravitazionali dal 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]. Cenni al lensing gravitazionale [PER 4.2] ed al microlensing [PER 4.3] per la ricerca di materia oscura barionica. Materia oscura non barionica [SPU 13.4, 13.5; PER 4.6]. Rivelazione dei WIMP (esperimento DAMA-LIBRA) [SPU 13.8, 13.9]. Anomalie nelle misure di positroni ed elettroni cosmci [SPU 3.9, 13.9].

Bibliografia

  •   G. BENdiscioli “Fenomeni radioattivi”, La Goliardica Pavese (2000)
  •   W.R. LEO "Techniques for nuclear and particle physics experiments", Springer (1987, Berlin)
  •   D. PERkins "Particle Astrophysics", Oxford University Press (2003, Oxford)
  •   M. SPUrio “Particles and Astrophysics”, Springer (2015, Heidelberg)
  •   T. STAnev "High Energy Cosmic Rays", Springer (2004, Berlin)

M. Spurio ”Particles and Astrophysics”, Springer (Heidelberg, 2015)

Semestre
Primo Semestre (dal 15/10/2018 al 25/01/2019)

Tipo esame
Non obbligatorio

Valutazione
Orale - Voto Finale

Orario dell'insegnamento
https://easyroom.unisalento.it/Orario

Mutuato da
FISICA ASTROPARTICELLARE (LM38)

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