Fisica Astroparticellare
La fisica astroparticellare studia l'impatto delle interazioni fondamentali su osservazioni cosmologiche e astrofisiche, permettendo di testare l'esistenza di particelle molto massicce o molto debolmente accoppiate. Tra queste ricerche, il nostro gruppo è attivo nello studio delle proprietà particellari, dell'origine, e della rilevazione della materia oscura, dell'identificazione di nuove particelle da processi stellari, dell'inflazione, di buchi neri primordiali, e di onde gravitazionali.
Staff
Professoresse e Professori di I fascia:Antonio Masiero, Marco Peloso
Professoresse e Professori di II fascia: Francesco D’Eramo
Ricercatrici e Ricercatori: Edoardo Vitagliano
Assegniste/i e Borsiste/i
Jun’ya Kume (JSPS fellow), Ville Vaskonen (MSCA fellow)
Dottorande/i
Federico Greco, Tommaso Sassi
Attività di ricerca
Cosmologia dell’Assione
L’assione di QCD è una particella ipotetica fortemente motivata da considerazioni riguardanti l’invarianza delle interazioni forti per inversioni temporali. Tale grado di libertà è molto leggero e debolmente accoppiato alle particelle visibili, e di conseguenza può giocare un ruolo prominente nell’universo primordiale. Negli ultimi anni ho sviluppato strumenti teorici per quantificare con precisione l’abbondanza di assioni relativistici prodotti dopo il Big Bang e ho predetto i segnali osservabili.
Contatti: Francesco D’Eramo
Segnali sperimentali esotici da settori oscuri non minimali
Vista la complessità della materia visibile è plausibile che il settore dove risiede la materia oscura sia anch'esso composto da più gradi di libertà. La ricchezza di un settore oscuro non minimale porta a segnali sperimentali drasticamente diversi da quelli cercati nelle ricerche convenzionali di materia oscura. Negli ultimi anni ho proposto vari esempi lungo queste direzioni come eventi inusuali agli acceleratori di particelle, rivelazione di raggi X e gamma con proprietà spettrali e morfologiche uniche, e modifica della formazione delle strutture cosmiche.
Contatti: Francesco D’Eramo
Ricerca di particelle leggere di settori oscuri in esperimenti di bassa energia ad altissima precisione
La presenza di nuove particelle leggere, appartenenti a settori nascosti della teoria (possibilmente legati alla materia oscura) con accoppiamenti (molto) deboli alla materia del settore visibile del Modello Standard, può manifestarsi, attraverso effetti virtuali quantistici, in modo osservabile nell'ambito di esperimenti di bassa energia con misure ad altissima precisione. Esempio ne sono gli esperimenti riguardanti i momenti di dipolo elettrico e magnetico sia nel settore leptonico che in quello adronico. Il puzzle del momento magnetico anomalo del muone rappresenta tuttora un possibile indizio di un nuovo settore leggero e nascosto di materia oscura.
Contatti: Antonio Masiero
Inflazione guidata da un assione
Un campo dotato di simmetria assionica è un candidato ideale per l'inflatone, poiché questa simmetria protegge il potenziale inflatonico dalle correzioni radiative, le quali potrebbero compromettere la necessaria piattezza del potenziale per guidare l'inflazione. L'accoppiamento di questo campo con i campi di gauge offre una vasta gamma di fenomeni, che vanno dalla generazione di perturbazioni primordiali di densità alle onde gravitazionali osservabili nella CMB o nei rivelatori terrestri, fino alla formazione di buchi neri primordiali. Questo accoppiamento può anche rallentare il moto dell'inflatone, consentendo l'inflazione anche in potenziali altrimenti troppo ripidi per sostenere un'espansione inflazionaria. Una parte significativa della mia attività è dedicata allo studio di questi effetti, utilizzando varie tecniche numeriche e analitiche.
Contatti: Marco Peloso
Fondo stocastico di onde gravitazionali
La misurazione del fondo di radiazione cosmologica (CMB) ha segnato una svolta nella cosmologia recente. Un'altra potenziale rivoluzione potrebbe derivare dalla scoperta del fondo stocastico di onde gravitazionali. Gli esperimenti con i "pulsar timing array" hanno recentemente evidenziato questo fenomeno, mentre altre bande di frequenza sono oggetto di studio per rivelatori terrestri come LIGO-Virgo-KAGRA e, in futuro, per il satellite LISA. Questo apre nuove prospettive nello studio della cosmologia, consentendo la possibile osservazione di onde gravitazionali generate dall'inflazione o da transizioni di fase nell'universo primordiale. Nella mia ricerca, mi dedico alla caratterizzazione di questo segnale, analizzandone la dipendenza spettrale, la statistica, la polarizzazione e la distribuzione spaziale.
Contatti: Marco Peloso
Fondo Perturbazioni primordiali
Durante l'inflazione, le interazioni particellari possono generare una gamma diversificata di segnature cosmologiche, tra cui la non-Gaussianità della CMB, distorsioni spettrali, un fondo stocastico di onde gravitazionali osservabile a diverse frequenze e la formazione di buchi neri primordiali. Sebbene la letteratura sia ricca di proposte che cercano di spiegare queste segnature, è fondamentale esaminarle in modo critico, andando oltre le singole applicazioni per le quali sono state avanzate. Nel corso della mia ricerca, ho condotto uno studio sistematico di molte di queste proposte, dimostrando che alcune segnature suggerite potrebbero non essere osservabili una volta considerati tutti i vincoli imposti dalla piena coerenza dei modelli o da segnature diverse da quelle inizialmente ipotizzate. Nei casi migliori, questo approccio esteso consente di identificare una molteplicità di segnature che possono rafforzare l'evidenza sperimentale a favore dei modelli proposti.
Contatti: Marco Peloso
Nuovi esperimenti table-top per rilevare la materia oscura
Una delle più intriganti possibilità della fisica astroparticellare è svelare la natura della materia oscura nella forma di particelle leggere debolmente interagenti (feebly interacting particles, FIP), come neutrini sterili, assioni, e altre particelle oltre il modello standard. Dato che le FIP hanno massa piccola, è necessario formulare nuove idee per rilevarle. Nel mio lavoro mi avvantaggio dei più recenti risultati in fisica della materia per suggerire nuovi schemi, per esempio con metamateriali.
Contatti: Edoardo Vitagliano
Stelle e transienti come laboratori di fisica fondamentale
Le FIP sono abbastanza leggere da poter essere abbondantemente prodotte nelle stelle durante la loro evoluzione. Miscelando astrofisica, teoria dei campi a temperatura finita e fisica delle particelle con i più recenti risultati osservativi è possibile utilizzare svariate osservabili per sondare l'esistenza di nuove particelle. Sono alla continua ricerca di nuovi metodi per scoprire le FIP, mediante osservazioni multimessaggere di supernovae, fusioni di stelle di neutroni, nane bianche, il sole, e altri corpi celesti.
Contatti: Edoardo Vitagliano
Difetti topologici e buchi neri primordiali
Mentre i buchi neri ordinari prodotti dal collasso delle stelle non possono costituire una frazione grande della materia oscura, i buchi neri prodotti nell'universo primordiale possono avere massa confrontabile con quella degli asteroidi ed essere la componente dominante. Negli ultimi anni ho lavorato su uno dei meccanismi di produzione più affascinanti: il risultato dell'esistenza, durante un periodo dell'universo, di difetti topologici (stringhe cosmiche, domini) dovuti alla fisica di alte energie, che possono collassare e al contempo produrre segnali di onde gravitazionali.
Contatti: Edoardo Vitagliano
