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Fisica Teorica all'INFN di Bari

Il gruppo teorico della sezione INFN di Bari riunisce circa 30 persone (tra cui ricercatori staff e PhD/borsisti post-dottorato) e svolge un vivace programma di ricerca in diverse discipline, che vanno dallo studio delle interazioni fondamentali (elettrodebole, forte, gravitazionale) all’evoluzione dei sistemi quantistici e alla meccanica statistica dei sistemi complessi, con alcune ricadute nella ricerca applicata. La qualità di tutte le linee di ricerca è testimoniata da numerose pubblicazioni su riviste internazionali e dall’organizzazione di workshop semestrali nei principali campi di attività, oltre che dalla partecipazione e dai contributi ai maggiori convegni mondiali.

La ricerca è svolta e finanziata nell’ambito di due istituzioni strettamente collegate, l’Università e l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).
Ognuna delle sei principali attività locali dell’INFN (denominate TASP, QFT-HEP, BioPhys, NPQCD, QUANTUM) è in realtà un nodo di un più ampio network internazionale.

CSN 4

Theoretical Astroparticle Physics TAsP

Fisica dei neutrini e nuove particelle di luce

Negli ultimi due decenni, la scoperta delle oscillazioni del sapore dei neutrini (premiata con il Premio Nobel 2015) ci ha fornito importanti prove di una nuova fisica oltre il modello elettrodebole standard. Sebbene diverse caratteristiche della fenomenologia del mescolamento dei neutrini possano essere descritte in un semplice quadro di tre generazioni, restano da definire diverse incognite, tra cui la scala assoluta e l’ordinamento delle masse dei neutrini, la natura di Dirac o Majorana dei campi di neutrini, il valore preciso dell’angolo di mescolamento più grande e possibili violazione di CP leptonica. Inoltre, assieme ai tre neutrini conosciuti e alle loro interazioni standard, altre nuove particelle di luce potrebbero svolgere un ruolo come messaggeri della nuova fisica, inclusi stati di neutrini sterili e particelle come assioni o simili, eventualmente correlate anche a mediatori di nuove interazioni.

Tutti questi problemi hanno profonde implicazioni nella fisica delle particelle, nell’astrofisica e nella cosmologia. Il nostro gruppo è attivamente impegnato nell’analisi teorica e fenomenologica degli aspetti oscillatori e non oscillatori della fisica dei neutrini standard, nonché della fisica (astro)particellare relativa a nuove particelle leggere e interazioni, tra cui:

1) Indagini sulla fase di violazione di CP del neutrino da analisi di dati globali di dati di oscillazione;

2) Analisi statistica dei limiti attuali e osservazioni prospettiche del doppio decadimento senza neutrini;

3) Studio della discriminazione della gerarchia di massa dei neutrini con neutrini atmosferici e da reattore;

4) Autointerazioni dei neutrini ed effetti di turbolenza nei neutrini di Supernova;

5) Fenomenologia dei nuovi stati di neutrini sterili e delle interazioni non standard;

6) Assioni come candidati per la materia oscura;

7) Limiti sulle proprietà di assioni e particelle simili da una varietà di possibili fonti astrofisiche.

Cosmologia

L’attività scientifica locale nel campo della cosmologia è principalmente dedicata all’analisi di modelli cosmologici oltre quello di riferimento [il cosiddetto modello Lambda Cold Dark matter (LCDM)], soprattutto per rendere conto di possibili disomogeneità e anisotropie su larga scala. Temi di ricerca recenti sono:

1) Discussione fenomenologica e stima quantitativa della possibile rilevanza delle disomogeneità cosmologiche di origine primordiale per la determinazione precisa dei parametri di base del modello di concordanza LCDM;

2) Calcolo esatto e non perturbativo della relazione redshift-distanza di luminosità, ottenuto in un nuovo gauge, appositamente introdotto e adattato al cono di luce passato dell’osservatore;

3) Calcolo (fino al terzo ordine) dell’effetto di deflessione gravitazionale della luce in background cosmologici perturbati;

4) Modelli disomogenei dell’Universo: Calcolo della distanza di luminosità di una sorgente per osservatore decentrato nel modello LTB (Lemaitre-Tolman-Bondi); formule di distanza di luminosità esatta e magnitudine apparente applicate a dati di supernove Union2 per diversi profili. Studi di elettrodinamica nello spazio-tempo curvo, nel modello LTB. Effetti sulla propagazione dei fotoni in questo modello dovuti alle disomogeneità.

Responsabile locale: Eligio Lisi (INFN Bari)

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Phenomenology of the Standard Model and Beyond QFT-HEP

Fisica oltre il Modello Standard, conseguenze nel settore del flavour

Il Modello Standard delle interazioni fondamentali lascia irrisolti diversi interrogativi come ad esempio perché esistono 3 generazioni di fermioni, l’asimmetria materia-antimateria nell’Universo, la natura della materia oscura, la gerarchia tra le masse dei fermioni e la grande differenza tra scala elettrodebole e la scala di Planck.

Una possibilità è che il Modello Standard sia una teoria effettiva che, ad energie più alte di quelle finora raggiunte, necessita di essere estesa.

Effetti di Fisica oltre il Modello Standard possono avere un impatto sui decadimenti rari dei mesoni K, e degli adroni con charm e beauty.

Il gruppo si occupa dell’impatto di nuova Fisica sulle osservabili di flavour, in particolare di modelli con dimensioni extra o con gruppi di gauge estesi. Le controparti sperimentali sono le Collaborazioni a LHC e le flavour factories (BES-Beijing e Belle-Tsukuba).

Spettroscopia di adroni pesanti e leggeri

Le interazioni forti legano quark e gluoni all’interno degli adroni. La recente osservazione sperimentale di risonanze con proprietà inattese rappresenta una sfida per l’attuale descrizione teorica degli spettri adronici e richiede studi dedicati delle proprietà e dei decadimenti degli stati di nuova osservazione.

Il gruppo ha condotto numerosi studi che hanno permesso sia di classificare gli stati osservati, sia di fornire predizioni su nuovi stati ancora da osservare.

Dualità Gauge/gravità e applicazioni alle interazioni forti

Una svolta nella teoria delle interazioni fondamentali è la scoperta della cosiddetta dualità gauge/gravità, che consente di stabilire una corrispondenza tra alcune teorie di gauge in 4D e teorie di gravità in spazi a più dimensioni.

Il gruppo studia le possibili applicazioni di questa corrispondenza alle interazioni forti. L’obiettivo è di poter determinare quantità adroniche come masse, costanti di accoppiamento, nonché le proprietà del diagramma di fase della QCD, la dipendenza delle proprietà adroniche dalla temperatura e dalla densità barionica, l’evoluzione dei sistemi fortemente interagenti a partire da condizioni lontane dall’equilibrio.

Reposabile locale: Fulvia De Fazio

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Biological applications of theoretical physics methods BioPhys

La Fisica Teorica Biologica mira a modellare e scoprire le proprietà emergenti dei sistemi biologici, che comprendono fattori molecolari, genomi, cellule e organi, la cui descrizione teorica è possibile solo a livello di sistema, utilizzando metodi innovativi e idee provenienti dalla fisica teorica.

Si tratta di una nuova area di ricerca chiave in fisica, innescata dallo sviluppo di nuovi esperimenti quantitativi e ad alto rendimento nella biologia molecolare, dove si prevede che risultati originali importanti pongano le basi per la comprensione del funzionamento della vita basandosi sui principi fondamentali della fisica, con importanti implicazioni nella scienza, nell’industria e nella biomedicina.

Il nostro progetto si colloca in un settore scientifico strategico e in crescita a livello internazionale e mira a supportare la comunità di ricerca nazionale sulla fisica teorica biologica all’interno dell’INFN.

Comprende una dozzina di diversi team locali che lavorano in stretta collaborazione tra loro e con numerosi laboratori di biologia molecolare sperimentale in tutto il mondo.

Responsabile locale: Sebastiano Stramaglia

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Non-perturbative Quantum ChromoDynamics NPQCD

Lo scopo principale del nostro programma di ricerca è quello di indagare il settore non perturbativo (NP) della Cromodinamica Quantistica (QCD) utilizzando metodi numerici e analitici all’avanguardia.

La Cromodinamica Quantistica (QCD) è la teoria che descrive le interazioni di quark e gluoni, i costituenti elementari della materia, e come si legano insieme per formare gli adroni che vediamo negli esperimenti.

Un problema cruciale, ancora irrisolto, della QCD, è la spiegazione del confinamento del colore, il fenomeno per cui quark e gluoni (particelle cariche di colore) non possono essere isolati come un fotone o un elettrone. Il fenomeno del confinamento del colore si verifica alla scala di 1 fm (la dimensione di un adrone), dove la forza dell’accoppiamento tra quark e gluoni è tale che sono necessari metodi non perturbativi (NP) per fare previsioni fisiche.

Nello studio non perturbativo della QCD le osservabili fisiche sono date in termini di integrali funzionali. Se lo spazio-tempo continuo è discretizzato in un reticolo finito di punti spazio-temporali (Lattice QCD), gli integrali funzionali possono essere approssimati come normali integrali multidimensionali, anche se con un numero enorme di variabili di integrazione. La valutazione numerica di questi integrali può essere effettuata utilizzando i cosiddetti metodi statistici Monte Carlo e richiede notevoli capacità di calcolo.

Le nostre indagini vengono eseguite utilizzando risorse di supercalcolo e tecniche computazionali all’avanguardia, tenendo anche d’occhio gli sviluppi algoritmici e l’ottimizzazione per utilizzare al meglio l’High Performance Computing (HPC).

Lo studio della dinamica del confinamento del colore QCD è di fondamentale importanza per comprendere il diagramma di fase ad alta temperatura e densità e le sue profonde implicazioni fenomenologiche relative alla fisica delle collisioni di ioni pesanti, all’Universo primordiale e all’astrofisica di oggetti come le stelle compatte.

Responsabile locale: Leonardo Cosmai

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QUANTUM

Gli straordinari sviluppi degli ultimi due decenni, noti come seconda rivoluzione quantistica, hanno dato vita ai campi emergenti dell’Informazione e delle Tecnologie quantistiche. La sinergia fra la ricerca teorica e sperimentale e i progressi nelle tecniche di simulazione hanno portato alla possibilità concreta di progressi tecnologici quantistici, con lo sviluppo di dispositivi in ​​grado di raggiungere prestazioni senza precedenti. I nuovi fenomeni fisici correlati, così come le incredibili possibilità di controllare, indirizzare e manipolare atomi singoli (reali e artificiali), array di atomi, sistemi di spin e circuiti superconduttori, e la crescente precisione nelle tecniche interferometriche richiedono idee teoriche innovative, insieme a nuove analisi affidabili e precise.

Gli obiettivi principali della collaborazione QUANTUM sono lo studio di effetti e fenomeni caratteristici della meccanica quantistica lungo tre direzioni principali fra loro interconnesse:
1- Entanglement e Correlazioni Quantistiche;
2- Simulazioni Quantistiche;
3- Controllo Quantistico.
L’attività teorica è altamente sinergica, prevede collaborazioni continue tra i gruppi e scambi di studenti, dottorandi e giovani ricercatori.

I temi investigati hanno carattere fondamentale, ma sono di interesse anche in vista di possibili applicazioni nelle scienze e tecnologie quantistiche, per ideare dispositivi dalle funzionalità innovative o radicalmente migliorate.

QUANTUM si concentra sui recenti sviluppi che hanno cambiato lo status della meccanica quantistica e dato luogo alla  Quantum Flagship europea, il cui obiettivo, come affermato nel Manifesto Quantistico, è “porre l’Europa in prima linea nella seconda rivoluzione quantistica in atto in tutto il mondo, portando progressi trasformativi alla scienza, all’industria e alla società”.

Responsabile locale e nazionale: Paolo Facchi

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