A.A. 2014/2015
Corso di Laurea Magistrale in
Fisica
Fisica delle astroparticelle
Codice SCC0316
Andrea Giuliani
CFU
SSD
Lezioni
Esercitazioni
Laboratorio
(ore)
(ore)
(ore)
6
FIS/04
48
0
0
[inserire voce: es.
attività di campo;
seminari; uscite;…]
(ore)
Anno
Lingua
I
Italiano
Obiettivi dell’insegnamento e risultati di apprendimento attesi
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.)
Prerequisiti
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.
Contenuti e programma del corso
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 CabibboKobayashi-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 PontecorvoMaki-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
Tipologia delle attività didattiche
Lezioni frontali
Testi e materiale didattico
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.
Modalità di verifica dell’apprendimento
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.
Orario di ricevimento
Gli studenti potranno richiedere un appuntamento per discutere argomenti del corso
tramite l’indirizzo e-mail del docente ( [email protected] ) che si impegna a
rispondere agli studenti nel giro di uno – due giorni proponendo un ventaglio di date e orari
per il ricevimento, che avverrà nello studio del docente.
Calendario delle attività didattiche
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Appelli d'esame
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