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. Breve riassunto del Modello Standard. 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; Breve discussione dell'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.

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. 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

L'esame orale si compone di due parti: i) una presentazione di un argomento avanzato (tipicamente includente una breve panoramica dell'argomento del corso e una parte più avanzata basata su un recente articolo di ricerca) con slide (durata 8 minuti). Si legga un articolo di ricerca comprendendone i principi scientifici di base (quale e` il problema su cui si incentra l'articolo? quali sono i risultati principali?) e formulandone una valutazione critica (i risultati sono generali? Sono interessanti? E se sì, perché? È utile leggere attentamente l'introduzione e le conclusioni a questo scopo). Non si e` tenuti a riprodurre i risultati ottenuti nell'articolo (ad esempio, formule o grafici). ii) Domande su altri due argomenti del corso.

ii) Domande su altri due argomenti del corso.

L'esame dura circa 30 minuti.

Lo scopo della prova orale è verificare la capacità dello studente di applicare il proprio bagaglio nozionistico e di eseguire i necessari collegamenti logico-deduttivi. Gradazione del voto finale:

• Presentazione su materiale discusso a lezione con limitata dimostrazione di comprensione dell'argomento. Preparazione molto limitata su pochi argomenti affrontati nel corso e capacità di analisi che emerge solo con l’aiuto del docente, espressione in linguaggio complessivamente corretto → 18-22;
• Presentazione principalmente su materiale discusso a lezione (ed eventuale approfondimento) con buona dimostrazione di comprensione dell'argomento. Preparazione limitata su vari argomenti affrontati nel corso e capacità di analisi autonoma solo su questioni puramente esecutive, espressione in linguaggio corretto → 22-24;
• Presentazione su materiale discusso a lezione e di un suo approfondimento con molto buona/ottima dimostrazione di comprensione dell'argomento. Molto buona/ottima preparazione su vari argomenti affrontati nel corso, capacità di compiere scelte autonome di analisi critica, padronanza della terminologia specifica → 25-29;
• Presentazione su materiale discusso a lezione e di un suo approfondimento avanzato con eccellente dimostrazione di comprensione dell'argomento. Eccellente preparazione
  sugli argomenti affrontati nel corso, capacità di compiere scelte autonome di analisi critica e di collegamento per la soluzione di problemi non incontrati in precedenza, piena padronanza della terminologia specifica e capacità di argomentazione e autoriflessione → 30-30L.

Studenti/sse con DSA o disabilità temporanee o permanenti: si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile (https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it ): sarà sua cura proporre agli/lle studenti/sse interessati/e eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di 15 giorni, all’approvazione del/della docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

Strumenti a supporto della didattica

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

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Silvia Pascoli