Fenomenologia delle interazioni fondamentali

L'attuale conoscenza della fisica delle alte energie è descritta all'interno del Modello Standard delle interazioni fondamentali (SM) che include sia le interazioni forti (QCD) nel regime perturbativo che non-perturbativo (come nella fisica adronica e nucleare) e le interazioni elettrodeboli. Una vasta gamma di esperimenti che  impiegano fasci di particelle o ioni accelerati ad alte energie o di grande intensità, come quelli in svolgimento presso i grandi laboratori internazionali come il CERN, il Fermilab, Brookhaven o esperimenti nello spazio, hanno confermato le previsioni effettuate con una precisione estremamente elevata ma molti interrogativi e problemi rimangono insoluti. Uno di questi è la comprensione dinamica delle interazioni forti e della materia nucleare ad alta densità e temperatura.  Un’ altro  riguarda la ricerca di nuova fisica attraverso misure precise in settori del Modello Standard ancora inesplorati come il potenziale di Higgs, il mixing e le masse dei neutrini, con tutte le implicazioni che queste misure possono avere sulla nostra comprensione dell’origine,  storia e stato del nostro Universo.

Dettagli dell'attività in fenomenologia  in web site of the theory group. 

Attività

Fisica di precisione ai colliders

L'obiettivo finale della fisica di precisione è rilevare possibili deviazioni dalle previsioni del Modello Standard (SM) delle particelle elementari, che  identificare in maniera indiretta  fisica oltre lo SM. In questo contesto, il nostro interesse si concentra su previsioni precise per osservabili fisici nei processi di hard-scattering nei collider presenti e futuri. Infatti solo tramite previsioni teoriche accurate e affidabili è possibile identificare correttamente possibili minuscole discrepanze con le misurazioni sperimentali. Al fine di migliorare lo stato dell'arte della fisica di precisione, ci occupiamo del calcolo delle correzioni radiative per processi ad alta energia, con attenzione particolare alle correzioni forti ad ordine NNLO e oltre, alle correzioni elettrodeboli (EW) ad un loop e alla loro combinazione.

Teorie effettive del Modello Standard

L’esistenza di fisica oltre il Modello Standard può essere investigata sia con un approccio top-down, ispirato dal model-building e focalizzato sulla ricerca di nuove particelle, oppure con un metodo bottom-up, che ricerca nuove interazioni tra le particelle conosciute. In quest’ultimo caso le teorie di campo effettive forniscono un approccio consistente e sistematico  all’ interpretazione di misure.

In questo contesto, ci occupiamo dell’estrazione dai dati sperimentali di vincoli sulla scala di nuova fisica fornendo predizioni accurate e producendo fits globali ad osservabili misurate ai colliders legate ai bosoni vettori, al bosone di Higgs e al quark top.

Lungo la linea di ricerca di tipo top-down, studiamo le conseguenze a bassa energia di teorie specifiche oltre il Modello Standard e teorie effettive alle scale di energia del TeV che possono essere caratterizzate da simmetrie specifiche legate a teorie complete nell’ultravioletto o anche dalla presenza di punti fissi “vicini” nello spazio delle teorie.

Teoria e fenomenologia dei neutrini

La scoperta delle oscillazioni dei neutrini nel 1998 implica che i neutrini abbiano massa e mescolanza, contrariamente alle previsioni del Modello Standard. Un quadro preciso delle proprietà dei neutrini è stato fornito da numerosi esperimenti. Rimangono aperte alcune questioni, ovvero il valore delle masse dei neutrini, la violazione della simmetria CP nel settore leptonico, i valori precisi dei parametri di mescolamento e il test del paradigma standard a 3 neutrini. Le domande sono cruciali per comprendere l'origine delle masse di neutrini e il mescolamento nelle estensioni del Modello Standard. Studiamo le proprietà dei neutrini valutando la portata fisica degli esperimenti attuali e futuri nella loro determinazione, con enfasi su brevi, ad es. MicroBooNE e lungo, ad es. DUNE, esperimenti di oscillazione del neutrino di base e decadimento doppio beta del neutrino meno, e sfruttiamo il portale del neutrino per cacciare i settori nascosti. Dal punto di vista teorico, l'origine delle masse di neutrini richiede una nuova scala energetica: il nostro approccio consiste nel considerare la gamma più ampia che va dai modelli altalenanti a bassa scala alla scala GUT e nell'identificare le firme fenomenologiche di tali modelli, ad es. leptogenesi, leptoni neutri pesanti su scala GeV. Dal punto di vista della fisica delle astroparticelle, sfruttiamo il ruolo chiave che i neutrini hanno avuto nell'evoluzione dell'Universo per definire le loro proprietà, in particolare la misurazione precisa delle masse dei neutrini, e la loro possibile connessione con la materia oscura.

Ampiezze di scattering

Sviluppiamo metodi all'avanguardia per lo studio e il calcolo di integrali di loop e ampiezze di scattering nella teoria quantistica dei campi. Questi si basano su tecniche matematiche e computazionali avanzate come metodi moderni per la riduzione lineare, equazioni differenziali, studio di funzioni speciali, campi finiti e tecniche di ricostruzione funzionale. Combiniamo questi con approcci che sfruttano importanti proprietà fisiche e matematiche di ampiezze e integrali di loop, come unitarietà, riduzione dell'integrando e proiettori fisici. Questi metodi possono essere applicati allo studio di un'ampia gamma di problemi fisici, come le interazioni del Modello Standard, le sue estensioni, la gravità e le osservabili classiche. In particolare, nei processi adronici si studiano  fenomeni hard e semi-hard in regime di Regge, che permette di organizzare i contributi attraverso risommazioni di tipo BKFL e di esplorare proprietà della QCD in situazioni estreme, come quelle caratterizzate da alte densità partoniche.

Interazioni forti nucleari

Questa attività di ricerca si concentra sulla fisica delle interazioni forti, responsabili della struttura interna di protoni e neutroni. In particolare, si studiano i) le reazioni elastiche di adroni (protoni/antiprotoni) su nuclei finiti a partire da approcci many-body di tipo microscopico; ii) lo scattering elastico e quasi-elastico di elettroni come metodo per misurare la distribuzione di protoni e neutroni nei sistemi nucleari finiti; iii) gli approcci di campo medio per la descrizione della struttura nucleare; iv) la superconduttività nucleare.

Implicazioni delle stringhe per la fisica delle particelle

Il limite a basse energie della teoria delle stringhe include le teorie di gauge ordinarie in un contesto di supergravità dove sono presenti dimensioni extra e brane. Il nostro scopo è quello di riprodurre la fisica del Modello Standard e di fornire nuove vie per risolvere i suoi problemi. In particolare studiamo meccanismi di rottura della supersimmetria e spettri di particelle supersimmetriche, la fenomenologia dei moduli, scenari non-termici per materia oscura e bariogenesi, la fisica del settore nascosto, assioni e nuovi bosoni di gauge .

Progetti e collaborazioni nazionali e internazionali

Le attività di ricerca in questa linea si inquadrano anche nell’ INFN, QFT@COLLIDERS, MONSTRE (ex MANYBODY), ST&FI. Numerose collaborazioni sono attive con Università/Istituti italiani (Milano, Torino, Roma, Genova, Pavia) e stranieri [Brookhaven (US), TRIUMF (CA), UCLouvain (B), CERN (CH), NIKHEF (NL), IHEP (China), Paris (F), Heidelberg (D), DESY (D), Durham (UK), Cambridge (UK), Lund (S)] 

Membri dello staff DIFA

Michele Cicoli

Professore associato

Paolo Finelli

Professore associato

Fabio Maltoni

Professore ordinario

Silvia Pascoli

Professoressa ordinaria

Tiziano Peraro

Ricercatore a tempo determinato tipo b) (senior)

Francisco Manuel Soares Verissimo Gil Pedro

Ricercatore a tempo determinato tipo b) (senior)

Studenti PhD e post-doc DIFA

Igor Broeckel

Dottorando

Daniele Massaro

Dottorando

Tutor didattico

Luca Pagani

Dottorando

PRINCIPALI COLLABORATORI INFN