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. I Big Five della fisica astroparticellare: masse dei neutrini e ruolo dei neutrini nell'Universo primordiale, l'identità della materia oscura, l'origine dell'asimmetria barionica, raggi cosmici ad alta energia, onde gravitazionali.

2. Conoscenze di base. i) Fondamenti di cosmologia: principio cosmologico; metrica di Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker; equazioni di Friedmann; Big Bang e orizzonte cosmologico; Universo attuale. ii) Riepilogo del Modello Standard della fisica delle particelle: teoria di gauge e gruppo di gauge del Modello Standard; contenuto di particelle; rottura spontanea di simmetria; problemi del Modello Standard.

3. Onde gravitazionali. Relatività generale e onde gravitazionali: ripasso dei principi di base, la gauge trasversa senza traccia e l'equazione delle onde gravitazionali, descrizione fisica e matematica nella teoria linearizzata, polarizzazione delle onde gravitazionali. Generazione e sorgenti delle onde gravitazionali. Interazioni delle onde gravitazionali con la materia e loro rivelazione.

4. L'interazione tra particelle e interazioni nell'Universo. Riepilogo della termodinamica per la fisica astroparticellare. Breve storia termica dell'Universo: bagno termico e disaccoppiamento delle particelle, disaccoppiamento dei neutrini, nucleosintesi del Big Bang, ricombinazione, uguaglianza di materia e radiazione.

5. 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, conoscenze attuali sui neutrini e domande per il futuro; Natura dei neutrini: particelle di Majorana e particelle di Dirac, doppio decadimento beta senza neutrini; Breve discussione sull'origine delle masse dei neutrini oltre il Modello Standard.

6. 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.

7. 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.

8. 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. Astronomia multi-messaggeri che lega onde gravitazionali con raggi cosmici di alta energia e neutrini.

Per tutti gli argomenti sopra menzionati, l'attenzione sarà innanzitutto rivolta agli aspetti teorici (con enfasi sui concetti fisici e sul formalismo matematico), dopodiché saranno considerati gli osservabili rilevanti per gli esperimenti con calcoli di base (ad esempio tassi di decadimento, sezioni d'urto, temperature di disaccoppiamento, densità di relics).

Testi/Bibliografia

Appunti completi sul materiale del corso saranno messi a disposizione degli studenti e forniti su Virtuale all'inizio del corso.

Letture di approfondimento:

 Fisica astroparticellare e cosmologia:

E.W. Kolb and M.S. Turner

The Early Universe

Westview Press, 1994

Note: Solo Chpts 2, 3 and 5. La discussione del decoupling (Chpt 5) e` particolarmente chiara.

Fisica dei neutrini:

C. Giunti and C. W. Kim,

Fundamentals of Neutrino Physics and Astrophysics

Oxford University Press, USA, 2007

Note: Solo Chpts 4, 5, 7, and 9.

Materia Oscura:

M. Cirelli, A. Strumia, J. Zupan

Dark Matter

Disponibile su arXiv con eprint 2406.01705 [hep-ph].

Note: Discussione molto dettagliata e ampia sullo stato attuale della fisica della materia oscura, dalle prove alla teoria e agli esperimenti.

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

Note: Solo Chpts 2, 6, 8, 10. Chpt 13 si incentra su GW.

 

Alessandro De Angelis, Mário Pimenta

Introduction to Particle and Astroparticle Physics

Springer (2018)

Note: Principalmente il capitolo 10. Inoltre, questo libro offre un'ottima introduzione a tutte le conoscenze di base rilevanti (ad esempio QFT, sezioni d'urto, MS, cosmologia) per coloro che non hanno seguito corsi dedicati.

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 a distanza in casi particolari), integrate da esercitazioni e seminari tematici.

Potranno essere previste esercitazioni su argomenti del Modello Standard e sul calcolo delle sezioni d'urto in QFT.

Verranno inizialmente considerati gli aspetti teorici, con particolare attenzione ai concetti fisici e al formalismo matematico. Verranno studiate le osservabili rilevanti per gli esperimenti e saranno eseguiti calcoli di base (ad esempio, tassi di decadimento, sezioni d'urto, temperature di disaccoppiamento, densità di relics).

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.

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. 

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

The course will avail itself of various tools:

• lecturing on blackboard;

• slides with the material presented on the blackboard;

• web resources for further reading.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Silvia Pascoli