94465 - THEORETICAL ASTROPARTICLE PHYSICS

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course the student will acquire a deep understanding of the connection between particle physics and cosmology. They will master i) the theory and phenomenology of neutrinos; ii) the theoretical aspects of dark matter; iii) the origin of the baryon asymmetry in the early Universe; iv) key aspects of the evolution of Universe including Big Bang Nucleosynthesis, the Cosmic Microwave Background radiation and large scale structure formation from a particle physics perspective; and will have a basic knowledge of the theory of gravitational waves and of cosmic rays. They will be able to present these concepts, inscribing them in the context of the Standard Model and beyond, and of the evolution of the Universe, and to apply the theoretical formalism to compute observables in experimentally relevant situations.

Contenuti

1. Panoramica del corso. L'interazione tra particelle e interazioni nell'Universo. Breve storia termica dell'Universo: inflazione, bagno termico e disaccoppiamento delle particelle, Big Bang nucleosintesi, ricombinazione dell'idrogeno, uguaglianza materia-radiazione, formazione di strutture cosmologiche su larga scala. I cinque argomenti principali nella fisica delle astroparticelle: masse dei neutrini e ruolo dei neutrini nell'universo primordiale, identità della materia oscura, origine dell'asimmetria barionica, raggi cosmici ad alta energia, onde gravitazionali.

2. Fisica dei neutrini. Neutrini nel modello standard e oltre; Sorgenti di neutrini sulla Terra e nell'Universo; Oscillazioni dei neutrini: teoria, breve panoramica degli esperimenti, stato attuale della conoscenza dei neutrini e domande per il futuro; Natura dei neutrini: particelle di Majorana e Dirac, doppio decadimento beta senza neutrini; Masse dei neutrini: masse di Dirac e Majorana, origine delle masse dei neutrini oltre il Modello Standard. Neutrini nell'universo primordiale.

3. Materia oscura. Evidenze osservative: curve di rotazione delle galassie, teorema viriale negli ammassi galattici, cosmologia; Produzione di materia oscura nell'universo primordiale: equilibrio termico e freeze-out, densità della materia oscura, materia oscura calda e fredda, paradigma WIMP, meccanismi di produzione non termica; l'identita` della materia oscura: candidati in estensioni del Modello Standard, WIMP, il problema strong CP e gli assioni, neutrini sterili e altri candidati alla materia oscura calda, altre opzioni; Ricerca di materia oscura a diverse scale di massa: esperimenti di rilevamento diretto e indiretto, materia oscura ai collider e intensity frontier.

4. L'asimmetria materia-antimateria. Bariogenesi in estensioni del modello standard: condizioni di Sakharov, proprietà di base dei modelli; Leptogenesi e modelli di massa dei neutrini; Bariogenesi elettrodebole; meccanismi alternativi.

5. Raggi cosmici di alta energia. Una breve discussione della fisica e dell'astrofisica dei raggi cosmici, comprese le loro sorgenti, la propagazione e il rilevamento.

6. Onde gravitazionali. Relatività generale e onde gravitazionali: discussione dei principi di base, gauge senza traccia trasversale e equazione delle onde gravitazionali, descrizione fisica e matematica nella teoria linearizzata, polarizzazione delle onde gravitazionali. Generazione e sorgenti di onde gravitazionali: coalescenza di sistemi binari, stelle di neutroni rotanti, buchi neri, fenomeni dell'Universo primordiale, ad es. inflazione e transizioni di fase. Interazioni delle onde gravitazionali con la materia e loro rilevazione: principi di interferometria, breve rassegna dei rilevatori di onde gravitazionali e delle loro tecniche. Astronomia multi-messaggeri che lega onde gravitazionali con raggi cosmici di alta energia e neutrini.

Testi/Bibliografia

Fisica astroparticellare e cosmologia:

E.W. Kolb and M.S. Turner

The Early Universe

Westview Press, 1994

Fisica dei neutrini:

C. Giunti and C. W. Kim,

Fundamentals of Neutrino Physics and Astrophysics

Oxford University Press, USA, 2007

Materia Oscura:

Particle Dark Matter: Observations, Models and Searches,

Cambridge University Press, Ed. G. Bertone (2010)

Raggi cosmici di alta energia:

M. Spurio

Probes of multimessenger astrophysics: Charged cosmic rays, neutrinos, γ-rays and gravitational waves

[ https://www.springer.com/la/book/9783319968537 ]-

Springer DOI: 10.1007/978-3-319-96854-4

Alessandro De Angelis, Mário Pimenta

Introduction to Particle and Astroparticle Physics

Springer (2018)

Onde gravitazionali:

M. Maggiore

Gravitational Waves: Volume 1: Theory and Experiments

Oxford University Press, 2008

Metodi didattici

Lezioni frontali alla lavagna/online (in presenza e/o da remoto), integrate da esercitazioni e seminari su argomenti di particolare rilevanza

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prova orale, inclusa la presentazione (slides) di un argomento avanzato

Strumenti a supporto della didattica

Diapositive (PDF) per lezioni specifiche, risorse web per approfondimenti.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Silvia Pascoli