FISICA ASTROPARTICELLARE

Crediti: 
6
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE (FIS/04)
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano (o inglese, se richiesto dagli studenti)

Obiettivi formativi

Apprendere i fondamenti della cosmologia e della fisica astroparticellare: scale di energia rilevanti, principi fisici, elementi di successo ed elementi critici delle spiegazioni teoriche proposte.

Familiarizzarsi coi metodi di calcolo delle quantità fisiche rilevanti: teoria dei campi nel vuoto e a temperatura finita, sezioni d'urto, larghezze di decadimento, cenni al calcolo delle perturbazioni cosmologiche. Verrà dato risalto anche all'uso dell'analisi dimensionale e a tecniche di calcolo approssimato, fasi preliminari essenziali prima di intraprendere un calcolo rigoroso (se necessario).

Capacità di affrontare in autonomia lo studio di nuovi argomenti: la fisica astroparticellare è per sua natura, un campo fortemente interdisciplinare. Per comprendere i progressi in questo campo e, in prospettiva, per contribuirvi, è necessaria una forse indipendenza e intraprendenza nello studio.

Sviluppare le capacità comunicative delle proprie esperienze di studio e di ricerca, attraverso la scrittura di brevi reports, e la presentazione orale.

Prerequisiti

Il corso sarà per quanto possibile auto consistente. Le basi della meccanica quantistica, della meccanica statistica, e della teoria della relatività speciale sono però necessarie.

Contenuti dell'insegnamento

La fisica astroparticellare utilizza l'Universo come un laboratorio di fisica fondamentale, in cui mettere alla prova sia le teorie già consolidate che quelle ancora in fase di sviluppo. Le osservazioni riguardano tutte le scale, da quelle cosmologiche a quelle stellari, fino a quelle dei laboratori terrestri. Corrispondentemente, il bagaglio teorico necessario in questo campo è vasto e include la meccanica quantistica e la teoria relativistica dei campi, la relatività speciale e generale, il modello standard della fisica delle particelle e i modelli cosmologici.

Il corso presenterà in modo organico e auto consistente gli elementi teorici e osservativi sviluppati in questo ambito nel corso degli anni, con particolare enfasi sugli sviluppi più recenti, sulle domande che restano aperte, e sulle prospettive future.

Programma esteso

0) INTRODUZIONE:
Cosa sappiamo dell'Universo: metodi di osservazione, proprietà, scale rilevanti.

1) STRUMENTI TEORICI:
Le interazioni fondamentali nel nostro Universo:
- la gravità e cenni alla teoria relatività generale;
- elementi del modello standard della fisica delle particelle elementari;
- elementi di fisica nucleare.

Calcolo di sezioni d'urto e larghezze di decadimento.
Analisi dimensionale e metodi approssimati.

2) IL BIG BANG E L'INFLAZIONE

La storia termica dell'Universo.

I reperti dell'Universo primordiale: fotoni, neutrini, onde gravitazionali. Altri reperti possibili: freddi, tiepidi, e caldi.

I fotoni primordiali e la radiazione cosmica di fondo (CMB): origine e proprietà. La CMB come osservabile cosmologica perfetta. Il modello cosmologico standard.

L'Inflazione cosmologica
- problemi del Big Bang;
- soluzione inflazionaria;
- l'inflazione e l'origine delle strutture cosmiche (galassie, ammassi, superammassi...).

3) I NEUTRINI

Proprietà dei neutrini: interazioni, masse e oscillazioni

Produzione dei neutrini: laboratorio, stelle, cosmo.

La nucleosintesi degli elementi leggeri durante il Big Bang.

L'asimmetria materia-antimateria dell'universo e le sue possibili spiegazioni.

Neutrini da supernova.

4) MATERIA ED ENERGIA OSCURA

Evidenze osservative

Proprietà della materia e dell'energia oscura, e il loro ruolo nel cosmo.

Possibili spiegazioni della materia oscura

Strategie di ricerca della materia oscura: ricerca diretta, indiretta, e agli acceleratori.

Modelli teorici per l'energia oscura e loro difficoltà

Bibliografia

Verranno fornite note dettagliate del corso, redatte dal docente. È consigliato integrarle con ottimi libri di testo, alcuni dei quali sono elencati in seguito.

E.W. Kolb, M.S. Turner: "The Early Universe" (Addison Wesley)

S. Weinberg: "Gravitation and Cosmology" (Wiley)

P.J.E. Peebles: "Principles of Physical Cosmology" (Princeton University Press)

S. Dodelson: "Modern Cosmology" (Academic Press)

Gorbunov, Dmitry S.; Rubakov, Valery A., Introduction to the Theory of the Early Universe: Hot Big Bang Theory. Singapore: World Scientific Publishing Company

Bergstrom, Lars; Goobar, Ariel, Cosmology and particle astrophysics. Berlin: Springer

Perkins, Donald H., Particle astrophysics. Oxford: Oxford University Press

J. Lesgourgues, G. Mangano, G. Miele, S. Pastor: "Neutrino Cosmology" (Cambridge University Press)

Giunti, Carlo; Kim, Chung Wood, Fundamentals of neutrino physics and astrophysics. Oxford: Oxford University press, 2007

Metodi didattici

Lezioni frontali.

Modalità verifica apprendimento

Verrà richiesto di preparare un breve scritto, sotto forma di un breve articolo scientifico, su un argomento concordato col docente.
Inoltre ci sarà un esame orale sui contenuti del corso e sull'argomento sviluppato nello scritto.
La votazione finale si baserà per il 50% sul testo scritto, e per il 50% sull'orale.