Fisica nucleare e subnucleare

Nel gruppo di fisica nucleare e subnucleare vengono studiate le interazioni fondamentali delle particelle elementari e le proprietà dei nuclei attraverso esperimenti condotti presso grandi laboratori nazionali e internazionali. Le particelle fondamentali e i mediatori delle forze sono studiati con grandi rivelatori a collisionatori ad alta energia come il Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Anche le proprietà nucleari della materia e la formazione del plasma di quark e gluoni (quark-gluon plasma) sono studiate nello stesso complesso di acceleratori. I neutrini hanno proprietà peculiari e il loro studio richiede strutture dedicate con lunghe linee di fascio. Un'altra linea di ricerca utilizza le particelle naturali prodotte nel Cosmo per studiare aspetti della fisica nucleare o subnucleare in modo complementare. Le attività condotte seguono tutte le fasi di sviluppo dei grandi esperimenti, con intervalli di tempo di circa 10-15 anni: ricerca e sviluppo di nuovi strumenti per la rivelazione delle particelle, progettazione di esperimenti tramite studi di fattibilità e simulazioni Monte Carlo dei processi in analisi, implementazione, controllo e calibrazione degli strumenti sperimentali, acquisizione dati e loro analisi statistica. Queste attività di ricerca hanno il supporto diretto dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) che, grazie alla sezione locale di Bologna e al centro nazionale per il calcolo CNAF, fornisce laboratori, rivelatori, strumentazione, potenza di calcolo, finanziamenti e personale tecnico e di ricerca.

Fisica delle particelle ad alta energia con acceleratori

Gli acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider (LHC) del CERN sono strumenti perfetti per verificare la nostra conoscenza della descrizione microscopica dell’Universo, racchiusa nel cosiddetto Modello Standard (MS) della fisica delle particelle. Al contempo, sappiamo che il MS è incompleto e gli esperimenti con acceleratori offrono una guida essenziale per lo sviluppo della teoria. Gli esperimenti di LHC possono aprire una finestra per la fisica Oltre il Modello Standard (Beyond Standard Model, BSM), producendo direttamente nuove particelle alle energie estreme raggiungibili dall'acceleratore o osservando piccole deviazioni dalle predizioni della fisica nota.

ATLAS, CMS, LHCb, SHiP, MUonE

Fisica nucleare

Lo studio delle reazioni nucleari e la misura delle loro sezioni d’urto offrono un collegamento diretto verso la comprensione di diversi meccanismi astrofisici e cosmologici, come l’evoluzione delle specie chimiche presenti nella nostra Galassia e la nucleosintesi avvenuta contestualmente al Big Bang. Inoltre, la conoscenza del modo in cui i nuclei si frammentano quando interagiscono ha importanti implicazioni per le applicazioni mediche, come l’adroterapia per i trattamenti oncologici. Su scale di energia maggiori, le collisioni di ioni pesanti a LHC sono capaci di indurre un peculiare stato nucleare con densità di energia molto alte, noto come plasma di quark e gluoni (quark-gluon plasma),  che si crede sia esistito nei primissimi istanti dell’Universo.

ALICE, FAMU, FOOT, n_TOF, NUCL-EX

Fisica dei neutrini

La scoperta della massa non nulla dei neutrini mediante il fenomeno delle oscillazioni ha fornito la prima evidenza sperimentale di fisica oltre il Modello Standard (BSM). Accanto alla misura precisa dei nuovi parametri fondamentali del MS esteso, è anche necessario comprendere quali possano essere i meccanismi capaci di generare masse tanto piccole. In particolare, l’indagine sperimentale sulla vera natura dei neutrini può fornire preziosi indizi su scale di energia estremamente elevate legate all’unificazione delle forze fondamentali.

NU@FNAL, ENUBET, CUORE

Fisica delle astroparticelle e Cosmologia

Il cosmo è un enorme laboratorio che permette di sondare le leggi fondamentali della fisica usando un approccio complementare a quello degli esperimenti con acceleratori. Vengono realizzati esperimenti sotterranei, sottomarini e nello spazio per rispondere ad alcune domande fondamentali: quali meccanismi astrofisici sono capaci di produrre i raggi cosmici e i neutrini ultra-energetici osservati sperimentalmente? Quale sfuggente forma di materia costituisce la maggior parte dell’Universo osservabile? Quale tipo di energia è responsabile dell’accelerazione dell’Universo?

 AMS, DarkSide, KM3, LVD,  Euclid, XENON

Ricerca e Sviluppo di rivelatori, trasferimento tecnologico e Computing

L'enorme complessità degli esperimenti di fisica fondamentale richiede di operare con tecnologie di frontiera e la storia testimonia che questi sviluppi hanno sempre prodotto sul lungo termine ricadute a beneficio dell’intera società. Per soddisfare i limiti tecnologici richiesti dagli esperimenti di fisica nucleare e subnucleare, sono in fase di costruzione rivelatori con risoluzioni temporali e spaziali sempre maggiori. Q

Questo, a sua volta, invita a considerare nuove soluzioni in ambito sia elettronico sia del software e del calcolo per poter sostenere e gestire l’enorme flusso di dati in arrivo dai rivelatori.

TIMESPOT, OPH