Fisica Fisica Nucleare e Subnucleare

Scientifica Acta 3, Special issue, 101 – 121 (2009)
Fisica
Fisica Nucleare e Subnucleare
Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica, Università di Pavia e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare,
sezione di Pavia, Via Bassi 6, 27100 Pavia, Italy
Presenta: Claudio Conta, [email protected]
In questa relazione sarà presentata l’attività di ricerca del Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica. Dopo
una breve introduzione, in cui saranno richiamati alcuni concetti fondamentali di Fisica Nucleare e Subnucleare, saranno illustrate le attività di ricerca teorica e sperimentale nelle aree seguenti : a) Fisica delle
particelle elementari e interazioni fondamentali; b) Fisica nucleare a energie intermedie; c) Fisica astroparticellare; d) Fisica interdisciplinare.
In this report the research activity of the Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica will be briefly presented:
after a short introduction where basic elements of nuclear and subnuclear physics are recalled, both the
experimental and theoretical activities are illustrated concerning : a) physics of elementary particles and
their interactions; b) nuclear physics at intermediate energies; c) astroparticle physics; d) interdisciplinary
physics.
1 Introduzione
Al Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica (DFNT, Direttore: Prof. M. Livan) afferiscono:
PO
11
PA
10
RU
13
Ass.
5
Dott.
14
Tecn.
7
Amm.
3
Tot.
63
Il DFNT svolge attività di ricerca “in simbiosi” con la locale Sezione (Direttore: Prof. A. Rotondi)
dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) che finanzia la quasi totalità della ricerca: ad INFN-PV
afferiscono:
DR
2
I°Ric.
11
Ric
3
Ass.
5
Dott.
6
Tecn.
17
Amm.
4
Tot.
44
Le attività sperimentali e teoriche svolte in Dipartimento ed in Sezione sono circa 30 e saranno brevemente descritte di seguito, dopo una breve introduzione volta a fornire elementi base di Fisica Nucleare e
Subnucleare.
La Fisica Nucleare e Subnucleare studia i costituenti della materia e le loro interazioni. Come illustrato
in Fig. 1, all’aumentare della risoluzione corrispondente a lunghezze d’onda della sonda sempre più piccole
è possibile scoprire i componenti elementari della materia e la presunta semplicità della natura. In Fig. 2 è
illustrata la tabella dei costituenti elementari della materia, tabella che, nel XX secolo, potrebbe sostituire
la tabella periodica degli elementi di Mendeleyeff. I leptoni (storicamente particelle “ leggere”) sono
particelle a spin ½ (fermioni) che si possono rivelare attraverso la loro interazione con la materia; invece
i quarks, anch’essi fermioni, a causa di un processo chiamato confinamento, non si possono (e non sono
mai stati) rivelare direttamente. Accanto alle particelle esistono le antiparticelle che hanno proprietà ,
tipicamente la carica elettrica, opposte a quelle delle particelle: combinando particelle ed antiparticelle si
ottiene lo “zoo” delle particelle che sono rivelate sperimentalmente nei rivelatori. Combinando tre quarks
qqq si ottengono i barioni (storicamente particelle pesanti) quali protoni (uud), neutroni (udd), particelle Σ0
(uds), Λ+
c (udc) etc. Combinando quarks q ed antiquarks q, si ottengono i mesoni (storicamente particelle di
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Risoluzione:λ = h/p
semplicità
?
elettrone :
-18
10
m
?
atomo :
-10
10 m
nucleo :
-14
10 m
-
nucleone :
-15
10 m
-
quark:
-18
10 m
Fig. 1: Dall’atomo al quark.
materia
ordinaria
big bang,
acceleratori,
raggi cosmici
quarks
leptoni
u (up)
d (down)
e (elettrone)
νe(neutrino e)
c (charm)
s (strange)
µ (muone)
νµ (neutrino µ)
t (top)
b (bottom)
τ (tau)
ντ (neutrino τ)
Fig. 2: Leptoni e quarks.
massa intermedia fra leptoni e barioni) quali mesoni π − (ud) , K − (us), Φ(ss), Υ(bb) etc. Quarks e leptoni
interagiscono tramite quattro forze fondamentali (la natura si fa in quattro!) che sono la “colla” della natura
e sono trasmesse mediante particelle a spin intero (tipicamente 1) (bosoni) come illustrato in Fig. 3. In
conclusione, il Modello Standard, che è ad oggi il quadro teorico più accreditato nello studio della Fisica
delle Particelle Elementari (senza tener conto della forza gravitazionale), può essere sintetizzato come in
Fig. 4. Tuttavia, in questo contesto, manca ancora il bosone di Higgs che è la manifestazione del campo di
Higgs, interagendo con il quale tutte le particelle possono acquistare massa.
Per capire il meccanismo di Higgs, facciamo ricorso ad una analogia pensata dal Prof. David J. Miller
(U.C. London) che è stato anche premiato per la brillante spiegazione del bosone di Higgs al Ministro
inglese della Scienza nel 1993 (Fig. 5, 6). Ad oggi, il bosone di Higgs non è ancora stato scoperto,
probabilmente a causa della sua grande massa: la caccia al bosone di Higgs è lo scopo principale della
sperimentazione al più grande acceleratore esistente che entrerà in funzione nel 2009, cioè il Large Hadron
Collider (LHC) del CERN di Ginevra.
Tuttavia, le aspirazioni dei fisici non si fermano qui poiché il Modello Standard lascia ancora molte
domande senza risposta: sondando distanze sempre più piccole si scoprono regolarità sempre più profonde
che porterebbero a teorie di unificazione delle forze (Grand Unification Theories - GUT, SuperSymmetries
- SUSY), come schematizzato in Fig. 7.
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forza
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intens ità
forte
elettromagnetic a
debole
gravitazionale
1
10 -3
10 -5
10 -38
mediatore
gluone
fotone
bos oni W,Z
gravitone (? )
avviene in
nucleo
atomo
radioattività
corpi celes ti
lo s cambio della particella è res pons abile della forza
Fig. 3: Le forze ed i loro mediatori.
Fig. 4: Modello Standard.
Quali sono allora i microscopi per sondare la materia? La Meccanica Quantistica ci insegna che particelle di massa m e velocità v possono comportarsi come onde (e viceversa) di lunghezza d’onda λ = h/p
ove h è la costante di Plank e p è la quantità di moto (classicamente p = mv). Pertanto, particelle accelerate a grandi velocità prossime alla velocità della luce sono radiazione di piccolissima lunghezza d’onda in
grado di sondare dimensioni sempre più piccole; quindi, gli acceleratori di particelle, corredati di adeguati
rivelatori di particelle, sono i più potenti “microscopi”.
2 Fisica delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali
√
Il collider LHC (Fig. 8), procurando collisioni protone-protone ad una energia nel centro di massa s =
14T eV con grande luminosità L = 1034 cm−2 s−1 (fasci intensi e “frequenti”), sarà la prima macchina a
sondare collisioni partone-partone (partone ≡ quark e gluone) a energia ≈ 1TeV, necessaria a scoprire e
studiare:
• Rottura spontanea di simmetria, Bosone di Higgs
• Particelle SUSY
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… immaginiamo una
stanza piena di fisici
in quieta conversazione:
è come lo spazio riempito
del campo di Higgs ….
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…. un famoso scienziato
entra e crea disturbo
muovendosi nella stanza,
poiché ammiratori e
curiosi gli si affollano
intorno ….
.. l’affollamento è motivo
di resistenza (inerzia) al
suo moto, cioè lo scienziato ‘acquista’ massa ….
….. così fa una particella che si muove nel campo di Higgs ……
Fig. 5: Il bosone di Higgs per tutti.
…. questi addensamenti
del campo sono i bosoni
di Higgs ….
… inoltre, se una notizia
arriva nella stanza ……
… può crearsi un raggruppamento fra gli scienziati
stessi..
Fig. 6: Il bosone di Higgs per tutti.
gravità
teoria
del tutto?
forza debole
elettrodebole
elettromagnetismo
grande unificazione ?
forza forte
E nergia (G eV )
10
2
10
15
10
19
Fig. 7: Unificazione delle forze.
• Eventuale struttura di quark e leptoni
• Quark bottom: violazione di CP, decadimenti rari, oscillazioni di bosoni . . .
• Quark top: massa, decadimenti . . .
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C MS
AL IC E
AT L AS
L HC b
(a)
Beams
Circumference (km)
C.M. energy (TeV)
Bunch number
Protons/bunch
Bunch crossing (ns)
Collision rate (MHz)
Luminosity (cm-2 s-1)
p-p
26.66
14
2835
1011
25
40
1034
(b)
Fig. 8: (a) Il collisionatore LHC e gli esperimenti; (b) Il tunnel di LHC.
• Misure di precisione di massa del W, accoppiamento di tre bosoni . . .
• Quantum Cromo Dynamics (QCD)
• Quark - gluon plasma
• “varie ed eventuali”
Numerosi ricercatori di Pavia partecipano agli esperimenti “general purpose” ATLAS (A Toroidal LHC
ApparatuS) e CMS (Compact Muon Solenoid).
ATLAS - Il gruppo ATLAS è costituito dai ricercatori del Dipartimento e della Sezione INFN: M.
Bellomo, M. Cambiaghi, C. Conta, R. Ferrari, S. Franchino, M. Fraternali, G. Gaudio, G. Goggi, A. Lanza,
M. Livan, A. Negri, G. Polesello, D. Rebuzzi, A. Rimoldi, D. C. Scannicchio, V. Vercesi. In Fig. 9a
è mostrato l’apparato sperimentale di ATLAS; l’edificio che ospita i Dipartimenti fisici è circa 1/8 di
ATLAS! Il gruppo ATLAS di Pavia ha progettato, realizzato ed installato 56 camere di tubi a deriva (MDT,
Monitored Drift Chamber) (Fig. 9b) dello spettrometro muonico, ha studiato e realizzato il trigger di III°
livello (event filter), ha sviluppato simulazioni di eventi con particelle SUSY e simulazioni di apparato
completo.
CMS - Il gruppo CMS di Pavia è costituito dai ricercatori del Dipartimento: P. Baesso, M. Necchi, D.
Pagano, S. Ratti, C. Riccardi, P. Torre, C. Viviani, P. Vitulo. In Fig. 10a è mostrato l’apparato sperimentale
di CMS. Il gruppo CMS di Pavia ha testato con raggi cosmici ed installato circa 100 camere a piatti resistivi
(RPC, Resistive Plate Counter) per il trigger dello spettrometro muonico, ha svolto analisi di eventi simulati
contenenti il bosone di Higgs, ha realizzato algoritmi di ricostruzione di tracce.
Peter Higgs ha visitato gli esperimenti ATLAS e CMS (primo evento di Higgs rivelato!) (Fig. 10b);
ecco la sua reazione verbale: It’s very impressive, very dramatic. I’d seen pictures of course, but they can’t
compare. . . . I suppose I don’t have much contact with experimental physics, I never was very practical. I
leave it to you, you seem to know what you’re doing!.
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(a)
(b)
Fig. 9: (a) L’apparato dell’esperimento ATLAS; (b) Camera MDT.
Fig. 10: (a) L’apparato sperimentale di CMS; (b) Peter Higgs visita CMS.
Fra gli obiettivi della sperimentazione ad LHC c’è anche l’investigazione delle particelle supersimmetriche, cioè dei partners delle particelle ordinarie, previste dalle teorie SUSY (SUperSYmmetry); fra queste
trovano posto anche candidate alla “materia” oscura di cui si parlerà in seguito.
CDF - Un esperimento molto importante nella Fisica delle Particelle Elementari è CDF (Collider Detector Facility) al Fermilab. All’esperimento partecipa G. Introzzi a livello di collaborazione personale; gli
eccellenti risultati dell’esperimento non saranno qui descritti.
MEG - La ricerca di decadimenti rari non previsti dal Modello Standard è condotta dall’esperimento
MEG (Muon Electron Gamma); viene misurato il decadimento µ → e + γ , che viola la conservazione
del numero leptonico (µ ed e sono leptoni appartenenti a famiglie diverse), con una sensitività migliore
di un fattore 100-1000 rispetto alle precedenti misure. Il decadimento, proibito nel Modello Standard,
sarebbe indotto da nuove particelle (per es. supersimmetriche) a significare nuova fisica al di là del Modello
Standard. All’esperimento partecipa un gruppo di Pavia costituito da: G. Boca. P. Cattaneo, A. De Bari, R.
Nardò, M. Rossella.
L’apparato sperimentale di MEG, schematicamente mostrato in Fig. 11, è sostanzialmente costituito da:
• calorimetro a Xe liquido scintillatore come rivelatore di fotoni
• campo magnetico a gradiente con camere a deriva come spettrometro di elettroni
• odoscopio di barre/fibre scintillanti per misurare il tempo dell’elettrone (timing counter)
ICARUS - Lo studio dei neutrini ha recentemente messo in evidenza la possibilità che i neutrini subiscano il fenomeno delle “oscillazioni”: se i neutrini di diverso tipo (o “famiglia” o “sapore”) hanno massa
diversa possono trasformarsi l’uno nell’altro durante la loro propagazione nello spazio. CERN-GS è una
“facility” in cui neutrini prodotti al CERN sono indirizzati ai Laboratori del Gran Sasso a circa 730 Km di
distanza.
L’esperimento ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals), ai Laboratori del Gran
Sasso, intende studiare la fisica del neutrino, in particolare:
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Fig. 11: Schema dell’apparato sperimentale di MEG.
• le oscillazioni di neutrini con fascio di neutrini dal CERN
• neutrini atmosferici, solari e da Super Nova
Anche il decadimento del protone, previsto da teorie di grande unificazione (GUT), sarà oggetto di investigazione. L’apparato sperimentale di ICARUS (Fig. 12) è costituito da una doppia camera a proiezione
temporale (TPC) ad Argon liquido con catodo comune realizzata all’interno di due criostati longitudinali
in acciaio di dimensione pari a circa 20m x 4m x 4m per una massa complessiva di 600 t. Il montaggio
dell’apparato, testato e perfettamente funzionante a Pavia, è stato completato ed il riempimento con Ar liquido è previsto per la fine del 2008. Il gruppo pavese è costituito da ricercatori del DFNT e della Sezione
INFN: L. Barzè, P. Benetti, E. Calligarich, R. Dolfini, A. Gigli Berzolari, A. Menegolli, C. Montanari, A.
Piazzoli, A. Rappoldi, G. L. Raselli, M. Rossella, D. Scannicchio, A. Borio di Tigliole, C. Vignoli.
Una particella che attraversa il rivelatore ionizza gli atomi di Argon…
gli elettroni vengono guidati da un campo elettrico verso tre piani di fili
Catodo
-
e
e-
E (500 V/cm)
eAr liquido
(89 K)
eE (500 V/cm)
ee-
Anodo: 3 piani di fili (a +60o,-60o e 0o)
Semimodulo
ICARUS T300
Fig. 12: L’apparato sperimentale di ICARUS.
MIR - L’esperimento MIR (Motion Induced Radiation), ai Laboratori INFN di Legnaro (PD), studia le
oscillazioni quantistiche del vuoto. A differenza del vuoto classico il vuoto quantistico mostra una struttura non banale con conseguenze anche a livello macroscopico quale la forza di Casimir. Oltre all’effetto
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Casimir statico esiste anche l’effetto Casimir dinamico dove una superficie riflettente viene messa in vibrazione in moto non uniformemente accelerato. L’interazione tra la superficie e le fluttuazioni del vuoto
quantistico danno luogo a dissipazione che si manifesta sotto forma di creazione di fotoni reali. Una cavità
risonante ai GHz è equipaggiata su una delle superfici con un semiconduttore, che viene illuminato con
un treno di impulsi prodotti da laser inducendo così una variazione nelle condizioni al contorno. Questo
processo genera la produzione di fotoni dal vuoto che possono essere poi rivelati con un ricevitore molto
sensibile (Fig. 13). All’esperimento partecipa il ricercatore G. Bressi della Sezione INFN.
Fig. 13: Effetto Casimir dinamico ’rivisitato’ per tutti.
Fisica teorica delle particelle elementari - In stretto contatto con gruppi sperimentali internazionali
operano ricercatori teorici del DFNT e dell’INFN : G. Balossini, C. Bignamini, C. Carloni Calame, G.
Montagna, O. Nicrosini, F. Piccinini. Il gruppo studia la fenomenologia delle interazioni fondamentali
sviluppando calcolo accurato da principi primi di previsioni teoriche nell’ambito del Modello Standard; in
particolare si studia:
• luminometria di precisione ai collisori elettrone-protone da 1 a10 GeV
• produzione di tre jet in collisioni elettrone-protone
• produzione dei bosoni vettoriali W e Z a LHC
• simulazione di eventi adronici a LHC
• produzione di top singolo a LHC
• plasma quark-gluoni
Nel contesto della luminometria di precisione è stato sviluppato il codice di simulazione BABAYAGA, per le collisioni elettrone-positrone e altri processi, che è stato utilizzato in numerosi ed importanti
esperimenti. (Fig. 14a).
Per studi di precisione con correzioni radiative del processo di Drell-Yan (DY) debole è stato sviluppato
il codice di simulazione HORACE utilizzato in esperimenti al Tevatron e a LHC (ATLAS) che consente
misure di precisione della massa e della larghezza del W, delle densità partoniche all’interno del protone, la
calibrazione dei rivelatori, la stima del fondo per processi di “nuova fisica”. Per la simulazione di eventi a
molti jet nello stato finale, essenziale per analisi dati dei collider adronici Tevatron e LHC e per ricerche di
fisica oltre il Modello Standard, è stato sviluppato il codice ALPGEN, che è un generatore di eventi Monte
Carlo attualmente usato per studi di fenomenologia su bosoni di Higgs, W/Z e top quark.
Si studia anche un nuovo stato della materia, il plasma quark-gluoni (Fig. 14b) previsto dalla Cromo
Dinamica Quantistica (QCD), in presenza di condizioni estreme di temperatura/densità di energia quali
si possono verificare nell’universo primordiale, in core di supernove o in collisioni di ioni pesanti ad alta
energia.
Teoria quantistica della gravitazione - La costante di gravitazione universale G definisce la scala
fondamentale di lunghezza (e di energia) di Plank:
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(a)
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(b)
Fig. 14: (a) Luminometria di precisione in e+e-→e+e-; (b) Transizioni di fase e quark-gluon plasma.
• Planck time Tp = (hG/2πc5 ) ≈ 10−43 sec
• Planck length Ip = cTp 10−35 m
• Planck mass Mp = hc/2πG10−8 Kg
• Planck energy ≈ 1019 GeV
• GUT scale ≈ 1016 GeV
Attualmente la fisica delle alte energie può sondare scale di lunghezza Ip ; una struttura continua dello
spazio-tempo è ben attestata a queste scale. Alla scala di Plank questa struttura continua è ancora adeguata o esiste una qualche struttura più fondamentale quale potrebbe essere una geometria spazio-temporale
quantizzata (Fig. 15a)? La Teoria quantistica della Gravità potrebbe rispondere a questa domande. L’energia di Plank è enorme (Fig. 15b) rispetto alle energie raggiungibili in laboratorio; non è facile immaginare
quale possa essere il candidato per una teoria di Gravità Quantistica: Teoria delle stringhe, Loop Quantum Gravity, Regge calculus e algebra dei momenti angolari. A Pavia il gruppo di fisici teorici del DFNT
costituito da M. Carfora, C. Dapiaggi, A. Marzuoli studia gli aspetti geometrici in Teoria delle Stringhe,
Modelli Discretizzati di Quantum Gravity, Regge calculus e la computazione quantistica.
Fondamenti della Meccanica Quantistica - Nonostante i continui clamorosi successi della visione
quantistica della realtà, i fondamenti logici di questa disciplina sono da sempre messi in discussione. Non
per niente N. Bohr ebbe a dire Chi non è shoccato dalla Meccanica Quantistica non l’ha capita: A. Rimini
del DFNT studia le problematiche legate ai fondamenti della Meccanica Quantistica.
3 Fisica Nucleare e delle energie intermedie
MAMBO - Al microtrone MAMI di Mainz, mediante il rivelatore “Crystal Ball” (Fig. 16b), è in corso un
raffinato esperimento sulle interazioni tra fotoni polarizzati e protoni polarizzati (Fig. 16a) per verificare
alcune proprietà fondamentali della struttura a quark del protone, con particolare riferimento allo spin. Il
gruppo di Pavia è costituito da ricercatori del DFNT e della Sezione INFN: S. Altieri, A. Braghieri, A.
Muskarenkov, T. Pinelli, P. Pedroni.
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(a)
(b)
Fig. 15: (a) geometrie spazio temporali; (b) scale di energia.
(a)
(b)
Fig. 16: (a) interazioni tra fotoni polarizzati e protoni polarizzati; (b) “Crystal Ball”.
p
Decadimento
nucleare debole
nΛ
n
n
p
n n
Spettroscopia
ipernucleare
Fig. 17: Schema di ipernucleo investigato via decadimento debole e spettroscopicamente.
FINUDA - È il primo esperimento (FIsica NUcleare a DAFNE) a bersaglio fisso di fisica ipernucleare
al collider DAΦN E (Fig. 18) dei Laboratori di Frascati (LNF) ottimizzato per produrre ipernuclei (nuclei
costituiti anche da particelle “strane”, per es. fatte anche da quark s) (Fig. 17) in modo nuovo. Partecipano i
ricercatori del DFNT e della Sezione INFN: A. Fontana, P. Genova, L. Lavezzi, P. Montagna, A. Panzarasa,
A. Rotondi.
PANDA - È in fase di progettazione un nuovo esperimento PANDA (antiProton ANnihilation at DArmstadt), alla facility FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) dedicato allo studio della spettroscopia dei sistemi di quark medio-leggeri ed allo studio della struttura del nucleone con sonde adroniche
(antiprotoni da 15 GeV).
L’esperimento intende studiare adroni esotici in uno spettro di CromoDinamica Quantistica piu’ ricco di
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FINUDA
Fig. 18: Il collider elettrone-positrone DAΦNE ai LNF.
Fig. 19: Spettro di charmonio, glueballs e ibridi cc-g sovrapposto allo spettro sperimentale.
quanto previsto dal semplice modello a quark a causa della presenza di sistemi ibridi (qq)g, sistemi a multiquark (qq)(qq), “glueballs”; sarà ulteriormente approfondito lo studio spettroscopico di stati di Charmonio
cc (Fig. 19), di ipernuclei, dei fattori di forma e delle funzioni di struttura adroniche. All’esperimento partecipano ricercatori del DFNT e della Sezione INFN: G. Bendiscioli, G. Boca, A. Braghieri, S. Costanza,
A. Fontana, P. Genova, L. Lavezzi, P. Montagna, A. Panzarasa, M. Radici, A. Rotondi, P. Salvini .
AEGIS - Si intende verificare che l’antimateria sia soggetta ad una accelerazione di gravità pari a
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Interferometer
Antihydrogen beam
Antiproton trap
Position sensitive
silicon strip detector
g
e+ trap
Positronium converter
Fig. 20: AEGIS: schema dell’apparato.
parallel
antiparallel
,ν
(a)
(b)
Fig. 21: (a) Sonde elettrodeboli (γ∗ virtuali e ν) e adroniche (p̄) del nucleo ; (b) Forma del protone.
quella della materia misurando g con un fascio di antiidrogeno: antiatomi percorrono una distanza di volo
di circa 1 m subendo una deflessione verticale dovuta alla gravità pari a 20 micron alla velocità di 500
m/s (1.2 meV) misurata con interferometro di Moirè (spostamento verticale della figura di interferenza);
gli antiatomi sono rivelati da un rivelatore al Silicio che misurano il punto di impatto con risoluzione 10
micron (Fig. 20). Partecipano i ricercatori pavesi del DFNT e della Sezione INFN: A. Fontana, A. Rotondi
Fisica teorica nucleare - In stretto contatto con gruppi sperimentali internazionali operano ricercatori
teorici del DFNT e della Sezione INFN : S. Boffi, F. Capuzzi, F. Conti, M. Dorati, C. Giusti, A. Meucci,
F. D. Pacati, B. Pasquini, M. Pincetti, M. Radici. Il gruppo studia la Fisica nucleare adronica con sonde
elettrodeboli (fotoni e bosoni W, Z virtuali) e adroniche (p) (Fig. 21): è investigata la struttura di spin del
protone ove il contributo dello spin dei quark è solo 30-40 %, il contributo dei gluoni è piccolo e quindi
dovrebbe essere rilevante il contributo del momento angolare orbitale dei quarks; è studiata la forma del
protone che dipende dalle correlazioni spin-spin e spin-momento angolare orbitale dei quarks nel protone
(Fig. 21b). Le previsioni teoriche sono confrontate con le misure svolte ai laboratori JLab (USA), e GSI
(Germany) e negli esperimenti COMPASS al CERN ed HERMES a DESY (Amburgo).
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4 Fisica astro- particellare e astrofisica
AGILE - L’esperimento (Astrorivelatore Gamma ad Immagini LEggero) è una missione della Agenzia
Spaziale Italiana (ASI) in collaborazione con INAF, INFN e varie Università italiane. È dedicato all’osservazione del cielo in raggi gamma (30 MeV - 50 GeV) e in raggi X (18 - 60 keV); il rivelatore (Fig. 22)
è uno strumento molto compatto e leggero (120 kg) con ampio campo di vista (1/5 dell’intero cielo) ed è
stato lanciato in orbita nel 2007 dalla base spaziale indiana di Sriharikota (orbita equatoriale a 500 km di
altitudine). AGILE consentirà di ottenere una visione del cielo più dettagliata (Fig. 23). Partecipano i ricercatori pavesi del DFNT e Sezione INFN: F. Boffelli, P. Caraveo, P. Cattaneo, A. Rappoldi, M. Roncadelli ,
F. Sanzani.
ARGO-YBJ - L’esperimento si svolge a Yangbajing in Tibet a 4300 m sul livello del mare con l’obiettivo di rivelare sciami estesi atmosferici in alta quota per studiare: a) l’astronomia nel range di altissima
energia 300GeV - 10T eV , b) la Fisica del Sole ed i gamma-ray bursts, c) la Fisica dei raggi cosmici
nel range di altissima energia 1 - 104 T eV . Il rivelatore dell’esperimento (Fig. 24) consente la copertura
completa di un’area di 5600m2 mediante Resistive Plate Chambers a “streamer” con “guard-ring” esterno
a raggiungere 6700m2 ; l’installazione è stata completata dal Gennaio 2008 e sono stati ottenuti i primi
risultati su sorgenti (Mrk421, Crab) , sezione d’urto p-p, gamma-ray bursts. I ricercatori pavesi del DFNT
e della Sezione INFN sono: C. Cattaneo, G. Liguori, P. Salvini.
Super-AGILE
Silicon Tracker
(raggi γ)
(raggi X)
Basamento
Mini Calorimetro
Fig. 22: Il rivelatore di AGILE.
Osservazioni astronomiche (Fig. 25) hanno evidenziato che la materia osservata rappresenta non più del
5% della massa dell’Universo; il deficit di massa è attribuito a materia oscura (dark matter) che costituisce
circa 25% della massa dell’Universo mentre il 70% è costituito da “energia oscura”. Candidati a costituire
la materia oscura sono i neutrini (con massa piccola mv 6= 0) , particelle SUSY, WIMP (Weakly Interacting
Massive Particles). In particolare, la ricerca delle WIMP si svolge anche in esperimenti sotterranei ove i
rivelatori sono automaticamente schermati dalle interazioni dei raggi cosmici che potrebbero costituire un
fondo alle reazioni studiate.
WARP - Un gruppo di Pavia partecipa all’esperimento WARP (WIMP ARgon Program) ai Laboratori
del Gran Sasso per la rivelazione delle WIMP; il gruppo è costituito da ricercatori del Dipartimento e
della Sezione INFN: P. Benetti, E. Calligarich, M. Cambiaghi, C. Montanari, A. Rappoldi, G.L. Raselli,
M. Roncadelli, M. Rossella, C. Vignoli . Viene utilizzata una tecnica basata sulla discriminazione tra
interazioni ionizzanti e rinculi nucleari in Argon liquido (Fig. 26). La messa in esercizio sarà entro il 2008;
in pochi mesi di presa dati si può raggiungere sensibilità sufficiente a verificare le predizioni dei modelli
SUSY. In Fig. 27, il risultato preliminare sul limite di flusso di particelle WIMP, raggiunto da WARP con
un rivelatore prototipo da 2.3 l, è confrontato con i risultati di altri esperimenti di pari massa.
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EGRET
regione
di Vela
regione
del Cigno
AGILE
Fig. 23: Mappe γ del cielo: EGRET (1991-2000), AGILE (2008, preliminare).
Fig. 24: Il sito ed il rivelatore dell’esperimento ARGO-YBJ.
5 Fisica interdisciplinare
DREAM - L’esperimento Dual REAdout Method calorimetry studia la calorimetria (misura dell’energia
delle particelle) cercando di risolvere problemi di non-linearità del segnale (diversa risposta a componenti
elettromagnetiche, per es. mesoni π neutri, e non elettromagnetiche, per es. protoni lenti) e di scarsa
risoluzione (grandi fluttuazioni nella frazione della componente elettromagnetica) nella misura dell’energia
adronica, problemi che limitano le prestazioni dei calorimetri adronici. Si sperimentano varie soluzioni fra
cui a) un calorimetro a campionamento con fibre di quarzo e scintillatore b) calorimetro omogeneo che
“separa” luce Cherenkov da luce di scintillazione. In questa seconda soluzione si utilizzano cristalli di
PbWO4 drogati con differenti concentrazioni di Molibdeno o Praseodimio. In Fig. 28 è mostrato il segnale
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velocità galassie
misura
alone di
dark matter
dark matter
not dark matter
previsione
distanza dal centro
Fig. 25: La materia oscura.
Fig. 26: L’apparato sperimentale di WARP.
Fig. 27: Risultato preliminare sul limite di flusso di particelle WIMP, raggiunto da WARP con un rivelatore prototipo
da 2.3 l.
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Fig. 28: Segnale da luce Cherenkov e luce di scintillazione in cristallo di PbWO4 drogato con Molibdeno (1 %).
histology
neutron radiography
reattore LENA
NECROSI
FEGATO
SANO
TUMORE
Fig. 29: Reazioni di interazione n+10 B, radiografie del tumore, il reattore del LENA.
di risposta in funzione del tempo per luce Cherenkov e luce di scintillazione. All’esperimento partecipano
i ricercatori del DFNT e dela Sezione INFN: R. Ferrari, S. Franchino, M. Fraternali, G. Gaudio, M. Livan,
W. Vandelli.
BNCT - La Boron Neutron Capture Therapy è nuovo tipo di terapia per i tumori diffusi mediante irraggiamento con neutroni dopo assorbimento selettivo del 10 B. Questa tecnica, già utilizzata con successo
per il fegato (con autotrapianto) a Pavia al reattore del LENA (Fig. 29), sarà applicata al polmone con
irraggiamento senza espianto. All’esperimento partecipano i ricercatori del DFNT: S. Altieri, F. Ballarini,
S. Bortolussi, S. Stella, M. Gadan.
Fisica Medica - Nuove ricerche in Fisica medica sono svolte studiando a livello teorico (sviluppo di
modelli e simulazioni) e sperimentale (irraggiamenti con gamma e particelle cariche) i meccanismi di azione delle radiazioni ionizzanti sulle strutture biologiche, dalle interazioni fisiche al danno biologico a livello
sub-cellulare, cellulare, sovra-cellulare e sistemico. Le applicazioni riguardano soprattutto le previsioni
del rischio (cancro e non) a basse dosi e per missioni spaziali (es. Marte) e l’ottimizzazione dell’uso clinico delle radiazioni in diagnostica e terapia (e.g. rischio minimo in tessuti sani in radioterapia) (Fig. 30).
Numerosi i progetti di ricerca: EPICA (2006-2008) che studia gli effetti delle particelle cariche, in particolare i meccanismi di induzione di danni molecolari e di modulazione di segnali intercellulari; TENORE
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Fig. 30: Previsione del rischio per missioni spaziali e ottimizzazione dell’uso clinico delle radiazioni in diagnostica e
terapia.
(2009-2011) che studia i meccanismi di danno e di risposta (a livello molecolare, cellulare e sovracellulare)
negli effetti targeted e non-targeted delle radiazioni ionizzanti con particolare riguardo alla dipendenza dalla qualità della radiazione; COUNT-MoMa (2006-2009) che studia le contromisure all’esposizione a raggi
cosmici galattici nello spazio lontano; RISC-RAD (2004-2008, in collaborazione con il Dipartimento di
Genetica e Microbiologia, programma europeo) che studia i danni al DNA, l’instabilità genomica ed il cancro indotto dalle radiazioni, con particolare riguardo al problema del rischio da dosi piccole ma prolungate;
NOTE (2006-2010, programma europeo) che studia gli effetti ’non-targeted’ della radiazione ionizzante;
ALLEGRO (2009-2010, programma europeo) che studia rischi precoci e ritardati ai tessuti sani derivati
dall’uso di tecniche esistenti ed emergenti in terapia con radiazione. Alle varie attività partecipano i ricercatori del DFNT e del Dipartimento di Biologia animale: A. Ottolenghi, A. Facoetti, F. Pasi, D. Alloni, L.
Mariotti, D. Scannicchio, A. Bertolotti, R. Nano, P. Torre
Econofisica - L’econofisica è l’applicazione dei metodi tipici della fisica allo studio del mercato finanziario, considerato come un sistema complesso (H. E. Stanley, Boston University, Medaglia Boltzmann
2004). . . È importante quindi che i principi della meccanica quantistica abbiano a riconoscere (oltre ad
una certa assenza di oggettività dei fenomeni) il carattere statistico delle leggi ultime dei processi elementari. Questa conclusione ha reso sostanziale l’analogia fra fisica e scienze sociali, tra le quali è risultata
un’identità di valore e di metodo (E. Majorana, Scientia 36 (1942) 58). In DFNT e in Sezione INFN si
occupano di Econofisica i ricercatori G. Bormetti, V. Cazzola, D. Delpini, G. Livan, G. Montagna, O. Nicrosini studiando in particolare a) algoritmi efficienti per calcolo di prezzo equo di strumenti finanziari b)
il rischio di mercato valutato con metodi classici e bayesiani c) modelli per la dinamica dei prezzi di beni
azionari d) la dinamica del mercato dell’energia
Altre attività sperimentali e teoriche sono promosse dall’INFN: progettazione di rivelatori di particelle
da utilizzare all’International Linear Collider (ILC) e/o alla “b-factory” SuperB in collaborazione con
il Dipartimento di Elettronica; b) studi sulla separazione isotopica e su problematiche delle radiazioni
ionizzanti in collaborazione con il Dipartimento di Chimica Generale; c) studi sulle dinamiche del caos in
collaborazione con il Dipartimento di Fisica dell’Università dell’Insubria.
6 Conclusioni
Le attività di ricerca del Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica sono vivacemente svolte su tematiche
fisiche molto attuali e di grande interesse, coprendo uno spettro di temi di ampio raggio.
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....e l‛avventura
continua....
Ringraziamenti Ringrazio vivamente i colleghi che mi hanno fornito materiale ed informazioni necessari alla presentazione di questa relazione e mi scuso con i colleghi le cui attività hanno ricevuto minore attenzione di quanto
meritassero per ovvi motivi di spazio-tempo.
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