La ricerca in fisica teorica delle particelle elementari si occupa della formulazione delle leggi fondamentali della natura, che descrivano correttamente gli esperimenti già effettuati, e della predizione dell'esito di esperimenti futuri. Il paradigma attuale è costituito dal Modello Standard (MS) unito alla teoria di Einstein della gravità: una teoria dei campi che fornisce una descrizione sorprendentemente accurata della maggior parte dei fenomeni osservati. La scoperta del bosone di Higgs al Large Hadron Collider (LHC) ha completato la verifica sperimentale delle particelle postulate dal MS. Tuttavia è evidente che il MS debba essere esteso. Ciò è dovuto all'esistenza di fenomeni che non è possibile spiegare all'interno del MS quali, ad esempio, il fatto che i neutrini hanno una massa, l'esistenza della materia oscura e la notevole asimmetria tra materia ed antimateria nel nostro universo. La fisica teorica delle particelle elementari si prefigge di trovare un'estensione valida del MS che risolva questi ed altri problemi. Per esempio, si cercano modelli realistici che, al contrario di quanto accade nel MS, possano spiegare l'origine delle masse e delle interazioni fra le particelle e la gerarchia fra le scale osservate in natura (la massa di Planck, la scala di Fermi e la costante cosmologica) e fra altre costanti fondamentali.

 

Personale universitario strutturato attivo in questo campo:

Giulia Maria de Divitiis, Roberto Frezzotti, Alberto Salvio, Nazario Tantalo

Link alle pubblicazioni

 

 

 

 

 

Fenomenologia del Modello Standard ed oltre con metodi perturbativi

Questa tematica specifica si occupa dello studio del MS e di alcune sue estensioni tramite la teoria delle perturbazioni nel suo regime di validità. Ciò consente in alcuni casi di ottenere risultati analitici. Le interazioni fondamentali nel MS, e in molte sue estensioni, sono tipicamente nel regime perturbativo alle scale di energia dell'LHC o superiori.

Per questa ragione, la teoria delle perturbazioni permette di descrivere accuratamente e di fare predizioni falsificabili sui fenomeni fisici che si manifestano nei moderni acceleratori di particelle. Inoltre, l'approccio perturbativo alla fisica delle interazioni fondamentali (inclusa la gravità) viene anche usato per studiare questi modelli ad energie molto superiori a quelle raggiungibili agli acceleratori odierni nonché a temperatura finita con possibili applicazioni alla cosmologia (si veda la tematica "Relazioni tra fisica delle particelle e cosmologia" discussa sotto).

Grant recenti: progetti INFN; progetto universitario DyConn.

Collaborazioni: Tallinn, Estonia

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Teoria di campo non perturbativa e QCD su reticolo

La QCD (CromoDinamica Quantistica) è il settore del MS che descrive le interazioni forti tra quark e gluoni. Salvo che in condizioni estreme di alta temperatura, i quarks e i gluoni non appaiono come particelle libere in natura ma risultano essere confinati all'interno di stati estremamente complessi e fortemente interagenti chiamati adroni. Il protone e il neutrone sono gli adroni che, insieme agli elettroni, costituiscono la materia nucleare. Nei laboratori di alta energia si misurano le proprietà degli adroni (masse, vite medie, sezioni d'urto) che dipendono in modo complicato dai parametri fondamentali del MS.
L'origine di tale complessità è l'intensità (alle scale di energia tipiche delle masse adroniche) delle interazioni forti, che quindi, a differenza di altre forze della natura, non possono essere studiate solamente con metodi perturbativi.

Il principale strumento non-perturbativo che permette di connettere il mondo degli adroni con quello dei quark e dei gluoni, e quindi di risolvere la complessità delle interazioni forti, è la QCD sul reticolo. Le interazioni di quark e gluoni vengono trattate formulando la teoria in uno spazio-tempo discreto (il reticolo) ed usando metodi di simulazione Montecarlo e supercomputer tra i più potenti al mondo. Le proprietà degli adroni sono calcolate in questo modo da principi primi ed espresse in funzione dei parametri fondamentali della QCD, la quale è stata in tal modo verificata essere la corretta teoria delle interazioni nucleari forti.

Grant recenti: progetto EU/PRACE Pra17_4394 su supercomputer Marconi al CINECA, Italia; progetti EU/PRACE analoghi su supercomputer in Germania, Svizzera, Francia e Spagna; progetti di supercalcolo NIC-DESY in Germania e progetti INFN in Italia.

Collaborazioni: ETMC (Extended Twisted Mass Collaboration - oltre 15 istituzioni di ricerca nel mondo), alpha/CLS (Collaborative Lattice Sharing - oltre 15 istituzioni di ricerca in Europa).

 

 

 

 

 

 

 

QCD + QED su reticolo e fisica del sapore

La fisica di precisione dei processi mediati dalle interazioni deboli, in particolare di quelli che mescolano i fermioni elementari (distinti dal numero quantico detto di "sapore"), rappresenta uno strumento molto potente per esplorare i limiti di validità del MS e i possibili scenari di nuova fisica.

Uno tra i principali test di precisione del MS riguarda la matrice CKM (Cabibbo–Kobayashi–Maskawa), i cui elementi sono parametri liberi della teoria da determinare dal confronto delle predizioni teoriche con le osservazioni sperimentali rilevanti, tra cui i processi di interazione debole tra adroni. Grazie ai calcoli non-perturbativi di QCD sul reticolo saremo presto in grado di migliorare considerevolmente la precisione delle predizioni teoriche del MS e auspicabilmente, di rilevare gli attesi segnali di nuova fisica dal confronto di tali predizioni con le misure sperimentali. Per eguagliare la precisione di queste ultime, allo stato attuale della ricerca, occorre per esempio includere le correzioni elettromagnetiche nello studio teorico dei decadimenti deboli degli adroni (studiando quindi QCD+QED sul reticolo), nonchè esplorare nuovi metodi per trattare con accuratezza e a livello non-perturbativo anche i decadimenti rari e non-leptonici.

Grant recenti: EU joint doctorate programme "Stimulate"; progetti universitari "LIBETOV - Leading Isospin Breaking effects from Lattice QCD+QED" e "PLNUGAMMA - Electromagnetic corrections to leptonic decay rates of pseudoscalar mesons"; progetti EU/PRACE: Pra10_2693 su supercomputer BG/Q Fermi e Pra17_4394 su supercomputer Marconi al CINECA, Italy; progetti di supercalcolo in Italia tramite convenzione INFN-CINECA e in Germania HRLN.

Collaborazioni internazionali: RM123 (area romana, Southampton, Regensburg), RC* (Roma, Berlino, Monaco, Odense, Santander, Plymouth).

 

 

 

 

 

 

 

 

Estensioni non-perturbative del Modello Standard

Una nuova tematica riguarda lo studio di estensioni del MS che possano dare lumi sulle gerarchie osservate (finora incomprese) tra la scala di energia di Fermi (a cui la simmetria delle interazioni elettrodeboli viene spontaneamente rotta), la scala (o le scale) della nuova fisica oltre il MS e la scala di Planck (a cui gli effetti di gravità quantistica divengono importanti) e possibilmente circa l'origine delle masse delle particelle elementari, che sono descritte ma non spiegate quantitativamente dal meccanismo di Higgs.
In questo campo di ricerca, che ha ricevuto notevole attenzione a livello internazionale negli ultimi decenni, viene studiata un'interessante congettura teorica secondo cui l'esistenza di una nuova interazione (analoga a quella di QCD) che diviene forte a scale di energia dell'ordine di 5-10 TeV e di nuovi fermioni soggetti ad essa, oltre che a forze di tipo già noto, sarebbe alla base della genesi dinamica delle masse di tutte le particelle elementari. Un tale meccanismo di generazione di massa, secondo cui il bosone di Higgs recentemente scoperto al CERN sarebbe uno stato legato, una volta inserito in un'estensione realistica del MS permetterebbe di legare le masse delle particelle già note alla scala di nuova fisica e di predire per essa caratteristiche di interazione forte ben riconoscibili sperimentalmente. Questa congettura, la cui dimostrazione teorica richiede metodi non-perturbativi, ha ricevuto un'importante conferma numerica dallo studio su reticolo di un modello specifico condotto sul supercomputer Marconi del CINECA in collaborazione con l'INFN. Applicazioni fenomenologiche di queste idee sono attualmente sotto esame.

Grant recenti: assegno di ricerca INFN/CIPE "Calcolo ad alte prestazioni in teorie di gauge fortemente interagenti"; progetto universitario "HoloQCD - Strong Interactions: from Lattice QCD to Strings, Branes and Holography".

Collaborazioni: Roma, Bonn.

 

 

 

 

 

Relazioni tra fisica delle particelle, l'astrofisica e la cosmologia

L'astrofisica studia l'universo e la cosmologia si occupa in particolare della sua origine ed evoluzione. Grazie a recenti sviluppi osservativi queste discipline consentono anche di verificare modelli di particelle elementari (sia il MS che le sue estensioni) a scale molto superiori a quelle degli acceleratori, come l'LHC.

Un esempio è la teoria detta dell'inflazione: una fase primordiale in cui l'universo si espanse esponenzialmente. Infatti alcune osservazioni riguardanti questo periodo possono darci informazioni preziose sulla fisica fondamentale a scale di lunghezza molto piccole e dunque ad energie molto grandi (ad esempio su alcuni aspetti quantistici della gravità). Dopo l'inflazione l'universo entrò in una fase in cui la radiazione raggiunse l'equilibrio termodinamico ad una temperatura man mano sempre minore. Le tecniche di teoria delle perturbazioni a temperatura finita ed alcune loro estensioni non perturbative possono quindi essere applicate per studiare l'evoluzione dell'universo.

La recente scoperta delle onde gravitazionali consente di ampliare ulteriormente la nostra conoscenza della fisica fondamentale, dandoci informazioni su teorie in cui la gravità e/o le altre interazioni fondamentali vengono modificate o ampliate e fornendo un legame tra la fisica fondamentale e l'astrofisica.

Le onde gravitazionali che sono state rilevate ci hanno anche fornito ulteriori evidenze dell'esistenza dei buchi neri, oggetti misteriosi previsti dalla teoria della gravità di Einstein. Intorno ai buchi neri dovrebbero essere prese in considerazione sia la gravità che la meccanica quantistica. Pertanto, lo studio di processi fondamentali di fisica delle particelle (come scattering e decadimenti) in tale ambiente ci fornisce preziose informazioni sulla natura quantistica della gravità e sul campo di validità delle nostre attuali teorie delle interazioni fondamentali.

Grant recenti: progetti INFN; progetto universitario DyConn.

Collaborazioni: Tallinn, Estonia