Università degli studi dell'Insubria

FISICA DELLE ASTROPARTICELLE

A.A. di erogazione 2013/2014

Laurea Magistrale in FISICA
 (A.A. 2013/2014)
Anno di corso: 
1
Tipologia di insegnamento: 
Caratterizzante
Settore disciplinare: 
FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE (FIS/04)
Crediti: 
6
Ciclo: 
Secondo Semestre
Ore di attivita' frontale: 
48
Dettaglio ore: 
Lezione (48 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:
1. le proprietà di base del neutrino,
2. le caratteristiche della radiazione cosmica e le problematiche associate, e infine
3. 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 di base, 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
• una conoscenza a livello introduttivo della fisica nucleare e della fisica delle particelle elementari
• 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.
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 neuter. 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 neutrino. 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.
Lezioni frontali, comprendenti sia l’illustrazione della teoria, che applicazioni ed esempi.

Il materiale didattico, che sarà fornito agli studenti in formato elettronico attraverso la piattaforma e-learning, consisterà nelle trasparenze proiettate e in una serie di articoli scientifici relativi ai tre argomenti trattati.
L’esame è orale, e consisterà tipicamente in tre domande principali sulle tre sezioni del corso. Non saranno richieste risposte nette, ma in generale lo sviluppo di un argomento, che potrà essere interrotto da domande accessorie che richiedono risposte brevi. Almeno una delle tre domande principali richiederà una risposta di tipo analitico, in cui lo studente dovrà sviluppare con carta e penna una serie di passaggi matematici per dedurre una formula di particolare rilevanza. Ad ogni domanda principale verrà attribuito un punteggio (fino a 10); il voto finale sarà la somma dei tre sottopunteggi attribuiti. Se la valutazione è 30, verrà proposta allo studente una domanda per la lode, volta in generale a vagliare la capacità dello studente di ragionare su argomenti che esulano dal programma svolto (per quanto ad esso strettamente collegati), sulla base delle informazioni acquisite.

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A.A. 2017/2018

Anno di corso: 1
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2016/2017

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