Università degli studi dell'Insubria

FISICA DELLE ASTROPARTICELLE

A.A. di erogazione 2016/2017

Laurea Magistrale in FISICA
 (A.A. 2016/2017)
Anno di corso: 
1
Tipologia di insegnamento: 
Caratterizzante
Settore disciplinare: 
FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE (FIS/04)
Crediti: 
6
Ciclo: 
Primo Semestre
Ore di attivita' frontale: 
60
Dettaglio ore: 
Lezione (60 ore)

L’obiettivo del corso è quello di introdurre gli studenti ad una disciplina di ricerca fondamentale relativamente nuova, nota come “fisica delle astroparticelle”, a cavallo tra la fisica delle particelle elementari, l’astrofisica e la cosmologia.

Le lezioni insisteranno su tre settori di questa disciplina, riguardanti (i) le proprietà di base del neutrino, (ii) le caratteristiche della radiazione cosmica e le problematiche associate, e infine (iii) la rivelazione diretta della materia oscura.

Il corso si propone di utilizzare la cultura di base degli studenti per condurli rapidamente ad una conoscenza non superficiale di argomenti di punta della ricerca fondamentale, che sono in continua evoluzione e richiedono un aggiornamento in tempo reale della materia trattata. Ci si attende che gli studenti da un lato dominino, seppur a livello introduttivo, i tre argomenti prescelti, apprendendo il formalismo che li descrive e le tecniche sperimentali associate. (Descrittore di Dublino relativo: Knowledge and Understanding.)

Al di là della mera conoscenza, il corso intende immergere gli studenti in un campo di ricerca vivo e avvincente e stimolare il loro entusiasmo per la disciplina trattata. Ci si aspetta inoltre che, davanti ad un esperimento o ad uno sviluppo concettuale nuovo, lo studente sia in grado di comprenderne e apprezzarne la rilevanza. (Descrittore di Dublino relativo: Making Judgements.)

Infine, lo studente avrà gli strumenti per approfondire in futuro argomenti specifici del corso, grazie alle conoscenze di base acquisite e alle indicazioni che il corso fornirà su dove e come reperire informazioni supplementari. (Descrittore di Dublino relativo: Learning Skill.)

La piena comprensione del programma svolto richiede:

  • una solida conoscenza dei fondamenti della meccanica quantistica, utili soprattutto nella parte che riguarda il formalismo che descrive le oscillazioni di neutrino;<\li>
  • una conoscenza a livello introduttivo della fisica nucleare e della fisica delle particelle elementari;<\li>
  • è auspicabile, ma non tassativo, avere seguito con profitto un corso sui rivelatori di radiazione ionizzante o un laboratorio in cui si sia acquisita dimestichezza con questi strumenti.<\li>
    <\ul>
    È infine necessaria la buona comprensione della lingua inglese, almeno scritta, al livello occorrente per leggere le diapositive che il docente utilizzerà a lezione (saranno frequentemente in inglese) e le pubblicazioni e i testi estratti dalla letteratura scientifica che formeranno il materiale didattico di base.

Descrizione introduttiva della disciplina della fisica delle astroparticelle, una tematica a cavallo tra la fisica delle particelle, la fisica nucleare e l’astrofisica.

PARTE PRIMA: LE OSCILLAZIONI E LA MASSA DEL NEUTRINO

Richiami sulle interazioni deboli; correnti cariche e correnti neutre

Processi permessi e inibiti secondo Cabibbo; l’angolo di Cabibbo e la matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa

Analogie tra il settore adronico e il settore leptonico; stati di sapore e di massa per i neutrini e matrice di Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata

Le masse dei neutrini e la loro gerarchia

Calcolo della probabilità di oscillazione dei neutrini nel vuoto nel caso generale di tre sapori attivi

Ipotesi dei neutrini sterili e cenni alla relativa fenomenologia

Casi particolari della probabilità di oscillazione dei neutrini: caso a due sapori; caso in cui la gerarchia delle masse preveda due separazioni molto diverse tra i valori delle masse medesime

Oscillazione dei neutrini nella materia: formalismo per due sapori attivi, con particolare enfasi al caso della materia solare

Le oscillazioni dei neutrini atmosferici: rassegna sperimentale

L’enigma dei neutrini solari e sua risoluzione: rassegna sperimentale

Oscillazioni di neutrini prodotti da acceleratori o da reattori nucleari

Come i risultati sperimentali vincolano e misurano gli elementi della matrice di Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata

Elicità dei neutrini; Neutrini di Dirac e di Majorana

Rilevanza del doppio decadimento beta nella fisica del neutrino e delle interazioni fondamentali; rassegna sperimentale sul doppio decadimento beta

La questione della scala di massa del neutrino e la sua misura

PARTE SECONDA: LA RADIAZIONE COSMICA

Caratteristiche della radiazione cosmica primaria: composizione e distribuzione energetica; caratteristiche spettrali note come “ginocchio” e “caviglia”

Abbondanza degli elementi nella radiazione cosmica e nella materia del sistema solare: confronto e considerazioni relative

Equazioni che regolano l’abbondanza di una specie nucleare o corpuscolare nella composizione della radiazione cosmica

Concetto di tempo di fuga e “leaking box model”

Energia contenuta nella radiazione cosmica e potenza richiesta al meccanismo che la genera; supernove galattiche come plausibile meccanismo di accelerazione fino al “ginocchio”

Lo spettro della radiazione cosmica alle energie più elevate, prossime al cut-off di Greisen–Zatsepin–Kuzmin

Calcolo della generazione di pioni (e di adroni in generale) nella radiazione cosmica galattica

Calcolo della generazione del fondo gamma diffuso nella radiazione cosmica galattica e confronto con le misure

Considerazioni sulla presenza di antimateria nella radiazione cosmica galattica

Proposta originaria di Fermi sul meccanismo di accelerazione: giustificazione della struttura a legge di potenza dello spettro di energia della radiazione cosmica

Moderni meccanismi di accelerazione; ciclo di Peters e plot di Hillas

PARTE TERZA: LA RICERCA DIRETTA DELLA MATERIA OSCURA GALATTICA

Evidenze di esistenza della materia oscura

Ipotesi corpuscolare per la composizione della materia oscura galattica

Cenni alle supersimmetrie: neutralino e WIMPs

Interazione di WIMPs con la materia ordinaria; rinculi nucleari di debole energia e loro ipotetico spettro in dipendenza della massa degli WIMPs, di quella del bersaglio, della sezione d’urto WIMP-nucleo e WIMP-nucleone; interazioni dipendenti e indipendenti dallo spin

Caratteristiche di un rivelatore di WIMP ideale

Rivelatori ibridi per la rivelazione di WIMPs

Rassegna sperimentale e stato attuale della ricerca <\b>

Una parte del corso si svolgerà alla lavagna tradizionale (in particolare quella che comporta passaggi analitici di una certa complessità, come nel formalismo per le oscillazioni di neutrino nel vuoto e nella materia), mentre un’altra parte farà uso di trasparenze (soprattutto quando è necessario mostrare grafici, risultati sperimentali e diagrammi illustranti la struttura di esperimenti). Il materiale didattico, che sarà fornito agli studenti in formato elettronico, consisterà nelle trasparenze proiettate e in una serie di articoli scientifici relativi ai tre argomenti trattati. <\b>

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A.A. 2017/2018

Anno di corso: 1
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2015/2016

Anno di corso: 1
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2014/2015

Anno di corso: 1
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2013/2014

Anno di corso: 1
Curriculum: PERCORSO COMUNE