Cosmologia & Astroparticelle – Laurea in Fisica LM17 [6 CFU]
Programma:
✪ Cos’è la Cosmologia; principio copernicano; principio cosmologico; espansione dell’Universo.
✪ Cosmologia newtoniana, equazioni di evoluzione, equazione del fluido.
✪ Cosmologia relativistica: richiami di relatività ristretta e generale; tensore energia impulso; metrica FLRW; equazioni di campo di Einstein.
✪ Modelli cosmologici: equazioni di Friedman-Lemaitre e loro soluzioni. Universi di materia e di radiazione.
✪ Costante cosmologica ed energia oscura. Parametri cosmologici. Il modello LCDM.
✪ Cosmografia: definizione di redshift cosmologico, parametro di decelerazione, tempi, orizzonti e definizione delle distanze cosmologiche.
✪ Osservazioni astronomiche e misure delle proprietà dell’universo.
✪ Particelle nell’universo: il Big-Bang e le fasi evolutive dell’universo; nucleosintesi primordiale, disaccoppiamento dei neutrini e ricombinazione.
✪ Origine e proprietà della radiazione cosmica di fondo.
✪ Problemi dei modelli cosmologici e meccanismo di inflazione.
✪ Bariogenesi e asimmetria materia-antimateria. Ricerca di antimateria primordiale.
✪ Materia oscura: proprietà osservative, cosmologiche, particellari.
✪ Ricerca diretta e indiretta di materia oscura. Raggi cosmici, neutrini, raggi gamma.
Libri consigliati: Lars Bergström & Ariel Goobar, Cosmology and ParticleAstrophysics, 2004, Springer. Claus Grupen, Astroparticle Physics, 2021 Springer. Andrew Liddle, An Introduction to Modern Cosmology, 2015 Whiley. Ulteriore materiale didattico comprensivo di slides e lavagne delle lezioni è disponibile qui.
Metodi: Lezioni frontali ed esercitazioni in presenza ed online.
Modalità di verifica: colloquio orale.
Orari lezioni: Lunedì 15-17 e Martedì 15-17, in Aula D e online su MS-Teams. Gli studenti che avessero problemi a seguire il corso a causa dell’orario sono pregati di contattarmi.
Ricevimento: Lunedì 17-19 in ufficio all’edificio di Fisica V piano o via MS-Teams. Oppure venite quando vi pare ma prima avvisate via email.
Presentazione del corso:
Dark Matter Ph.D. course [1.5 CFU]
✪ Aspetti astrofisici.
Massa mancante, rapporto massa/luminosità. Proprietà della Via Lattea. Sistemi di coordinate. Il metodo di Oort. Galassie a spirale. ll metodo delle curve rotazionali. Riga 21 cm e effetto Doppler. Aloni oscuri e modelli. Clumps di materia oscura. Galassie nane. Galassie ellittiche e ammassi di galassie. Metodo del viriale. Relazioni di Tully Fisher. Emissione di X da gas caldo. La tecnica del lensing gravitazionale. Lensing forte, debole, microlensing. Il bullet cluster. I macho. I buchi neri. Le teorie MOND.
✪ Aspetti cosmologici e particellari.
Il principio cosmologico. L’espansione dell’Universo. Il redshift. La legge di Hubble-Lemaitre. L’espansione accelerata. I modelli cosmologici. L’evoluzione termica dell’Universo primordiale. La radiazione cosmica di fondo. Il modello LCDM. I parametri cosmologici e loro legami con le osservazioni. Materia barionica. Materia luminosa. Materia oscura barionica e non barionica. Densità di materia e nucleosintesi primordiale. Materia oscura calda e neutrino. Materia oscura fredda, il paradigma WIMP. Calcolo dell’evoluzione di WIMP e della loro abbondanza fossile. Modelli di WIMP e candidati. Modelli non-WIMP. Candidati supersimmetrici. Supersimmetria e MSSM. Neutrini e meccanismo see-saw. Ricerca di assioni.
✪ Ricerche dirette.
Principio della misura. L’urto WIMP – Nucleo. Spettro dell’energia di rinculo e distribuzioni di velocità. Calcolo del tasso di interazioni nel rivelatore. Velocità di fuga. Moto della Terra. Fattori di forma nucleare. Sezioni d’urto spin-dependent. Problematiche della rivelazione. Il problema del fondo. Tecniche di soppressione del fondo. Laboratori sotterranei. Radioattività ambientale. Schermatura dei rivelatori. Curve di sensibilità: il vanilla plot. Il neutrino floor. Rivelatori di WIMP e tecniche di rivelazione. Rivelatori a ionizzazione, a scintillazione, rivelatori bolometrici. Discriminazione di rinculo elettronico e nucleare. Discriminazione di fotoni e neutroni. L’esperimento XENON. L’esperimento DARWIN. il segnale di modulazione: gli esperimenti DAMA e COSINE. Ricerche direzionali e l’esperimento DRIFT.
✪ Ricerche indirette.
I messaggeri di materia oscura. Antiparticelle cariche. Il segnale di annichilazione di WIMP. Il fondo astrofisico di particelle secondari. Flusso dei raggi cosmici Galattici. Stima del fondo astrofisico di antimateria. Trasporto di (anti)particelle cariche nella Galassia. Il rapporto antiprotoni/protoni, dati e modelli Incertezze astrofisiche e nucleari. La frazione di positroni. Materia oscura VS pulsar. Ricerca di antideuterio e antielio. Ricerca di WIMP attraverso i raggi gamma. Eccessi e linee dal centro Galattico. Esperimenti a terra e nello spazio: Fermi-LAT, CTA, HESS. Ricerca con neutrini, e quadro multi-messenger. La sfida sperimentale: gli spettrometri magnetici, l’esperimento AMS-02, gli esperimenti futuri.
Le slides del corso e altro materiale didattico verranno resi disponibili in questa pagina.