
Fisica Teorica alla Frontiera dell’Energia
La modellizzazione delle interazioni fondamentali che controllano il comportamento quanto-relativistico della materia richiede la determinazione di proprietà quali masse, spin, e cariche di ciascuna particella elementare, attraverso effetti che si manifestano nelle collisioni ad alta energia e nei decadimenti, sia controllati, come accade negli eventi di urto agli acceleratori quali il Large Hadron Collider del CERN, che in reazioni spontanee, come la diffusione di raggi cosmici in atmosfera e i decadimenti radioattivi, o altri fenomeni astrofisici e cosmologici. Il Modello Standard (SM) delle Particelle Elementari descrive tali interazioni mediante teorie di gauge, controllate da simmetrie legate alla conservazione di proprietà che non vengono alterate durante i processi di urto e decadimento. Lo SM descrive il comportamento delle particelle elementari finora note, ma e’ ritenuta essere una teoria incompleta, perché’ inadatta a descrivere fenomeni in cui la Gravità mostra i suoi effetti. Le ampiezze di scattering e le sezioni d’urto ad esse correlate rappresentano il contatto fra la Teoria Quantistica dei Campi (QFT) e la realtà che emerge dalle verifiche sperimentali, e costituiscono il “laboratorio teorico” ideale per lo studio delle interazioni fondamentali attraverso la produzione diretta di particelle reali o la determinazione indiretta dei loro effetti virtuali. Verifiche e misure di precisione, e lo studio di quantità conservate o violate, sono pertanto cruciali per individuare segnali di Nuova Fisica che spinga i limiti della nostra conoscenza oltre i confini del SM (Beyond Standard Model, BSM). Combinando teoria dei campi (QFT), teorie efficaci (EFT), matematica, e calcolo scientifico, il nostro gruppo lavora allo sviluppo e all’applicazione di modelli e metodi avanzati per il calcolo di ampiezze di scattering e sezioni d’urto per processi che avvengono sia in ambito SM che BSM, e alle relazioni fra le proprietà dello scattering in teorie di gauge, in teorie efficaci, e in gravità classica e quantistica, rilevanti per la Fisica delle Particelle e per la Fisica delle Onde Gravitazionali.
Staff
Professoresse e Professori di I fascia: Pierpaolo Mastrolia, Fabio Zwirner
Professoresse e Professori di II fascia: Ramona Groeber
Ricercatrici e Ricercatori: Manoj K. Mandal
Assegniste/i e Borsiste/i
Wojciech Flieger Stefano Laporta
Dottorande/i
Giacomo Brunello, Giulio E. Crisanti, Stefano Di Noi, Sid Oliver Smith, Konstantin Schmid
Collaboratrici e collaboratori esterni
Massimo Passera (INFN), Luca Vecchi (INFN)
Attività di ricerca
Fisica del Bosone di Higgs
Il bosone di Higgs è stato oggetto di ricerca per decenni. La sua esistenza è stata confermata sperimentalmente nel 2012 dal LHC al CERN. Questa scoperta ha segnato un punto di svolta nella comprensione del Modello Standard, confermando previsioni teoriche fatte più di mezzo secolo prima. Dal punto di vista teorico, il confronto con i dati sperimentali richiede previsioni precise che spesso necessitano di nuovi metodi e di sviluppare nuovi programmi Monte Carlo. Diverse proprietà del bosone di Higgs, come gli accoppiamenti ai quark leggeri o gli autoaccoppiamenti del Higgs, non sono ancora state misurate con precisione. Pertanto, in questa attività proponiamo lo sviluppo di nuove strategie per misurare tali proprietà in modo più accurato.
Contatti: Ramona Groeber
Teorie di Campo Efficaci
La teoria efficace dei campi (Effective Field Theory, EFT) è un potente strumento nella fisica teorica, ideale per esplorare le interazioni fondamentali nell'ambito del Modello Standard e oltre. Nel contesto del Modello Standard EFT (SMEFT) e della teoria dei campi efficace di Higgs (Higgs EFT, HEFT), si sviluppa un quadro formale che permette di includere gli effetti di nuova fisica a scale di energia più alte in modo sistematico, anche quando questa nuova fisica non può essere osservata direttamente. Tali teorie sono fondamentali per interpretare i dati degli esperimenti ad alta energia. Questa linea di ricerca si dedica allo sviluppo di metodologie teoriche e alla creazione di programmi concreti che agevolano l'interpretazione dei dati sperimentali tramite l'uso di operatori delle teorie dei campi efficaci.
Contatti: Ramona Groeber
Momento Magnetico Anomalo del Muone e dell’Elettrone
La determinazione del momento magnetico di elettrone e muone rappresentano dei test fondamentali del Modello Standard (SM). Riguardo al primo, il nostro gruppo è attivo nella determinazione dei contributi di QED agli ordini perturbativi più elevati, che richiedono il calcolo di diagrammi di Feynman oltre i 4 loops. Riguardo al secondo, esiste una discrepanza di lunga data tra il valore sperimentale e la previsione teorica, dovute ai limiti sulla conoscenza delle correzioni adroniche. L’esperimento MUonE al CERN propone la misura dell'accoppiamento elettromagnetico efficace mediante la diffusione elastica di muoni ad alta energia su elettroni atomici, da cui estrarre il contributo adronico sottraendo i contributi leptonici, che quindi devono essere calcolati con estrema precisione teorica. Il nostro gruppo mira a fornire il supporto teorico, essenziale per il successo dell'esperimento MUonE, con il calcolo di ampiezze di scattering a 2- e 3-loop.
Contatti: Massimo Passera, Ramona Groeber, Stefano Laporta, Pierpaolo Mastrolia
Ampiezze di Scattering in Fisica delle Particelle Elementari
Le ampiezze di scattering e le sezioni d’urto ad esse correlate rappresentano il contatto fra la Teoria Quantistica dei Campi (QFT) e la verifica sperimentale, e costituiscono il “laboratorio teorico” ideale per lo studio delle interazioni fondamentali attraverso la produzione diretta di particelle reali o la determinazione indiretta dei loro effetti virtuali. Il nostro gruppo e’ attivo nello studio e nel calcolo di ampiezze di scattering rilevanti alla fisica del bosone di Higgs, alla fisica del top quark, e, in generale, alla produzione di particelle nel Modello Standard, con particolare rilievo alle correzioni di QED e QCD. Questa linea di ricerca richiede sviluppo e applicazione di tecniche di calcolo avanzate per integrali di Feynman, dove tecniche basate su identità di integrazione per parti, equazioni differenziali ed equazioni alle differenze finite vengono combinate ai metodi on-shell e a tecniche basate sull’unitarietà generalizzata, e alla decomposizione dell’integrando.
Contatti: Pierpaolo Mastrolia, Stefano Laporta, Manoj K. Mandal
Ampiezze di Scattering in Astrofisica e Cosmologia
Il formalismo per il calcolo di ampiezze di scattering, introdotto in Teoria Quantistica dei Campi (QFT) può essere combinato all’approccio delle Teorie di Campo Efficaci (EFT) ed applicato anche al calcolo di osservabili in Relatività Generale. Il nostro gruppo contribuisce allo sviluppo e all’applicazione di metodi di calcolo basati su integrali di Feynman per la valutazione delle correzioni Post-Newtoniane e Post-Minkowskiane al potenziale gravitazionale di sistemi binari in fase di coalescenza, formati da buchi neri e stelle di neutroni, rilevanti per la Fisica delle Onde Gravitazionali. In progetti recenti abbiamo esteso il campo di applicazione delle nostre tecniche anche allo studio delle funzioni di correlazione in Cosmologia.
Contatti: Manoj K. Mandal, Pierpaolo Mastrolia, Stefano Laporta
Metodi Matematici per Integrali di Feynman e Ampiezze di Scattering
Il calcolo delle ampiezze di scattering e degli integrali di Feynman richiede lo sviluppo di tecniche di calcolo dedicate a funzioni speciali, e rappresenta un’area di ricerca formale, dove concetti di Teoria dei Quantistica dei Campi vengono combinati a Geometria Algebrica e Differenziale, Topologia, Combinatorica e Teoria dei Numeri. Il nostro gruppo sviluppa metodi di calcolo per integrali di Feynman ampiezze di scattering basate su relazioni di contiguità, equazioni differenziali ed equazioni alle differenze finite, sulla teoria delle funzioni speciali a variabili complesse, teoria delle intersezioni per co-omologia de Rham, in combinazione ai metodi on-shell e all’unitarietà generalizzata. Queste tecniche innovative permettono lo studio delle ampiezze di scattering in teorie di gauge e in relatività generale, così come lo studio di funzioni speciali, quali gli integrali di Aomoto-Gauss, Eulero-Mellin e sistemi GKZ, che compaiono in diversi ambiti scientifici.
Contatti: Pierpaolo Mastrolia, Manoj K. Mandal, Stefano Laporta
Integrali di Feynman, Reti Neurali e SuperCalcolo
Tecniche di Machine Learning e Cooperative Game Theory sono molto valide per l’analisi dei dati dei processi di scattering. Il nostro gruppo lavora alle applicazioni di queste tecniche per lo studio degli accoppiamenti del bosone di Higgs, e la rivelazione di potenziali anomalie da ascrivere ad effetti di nuova fisica. In parallelo, siccome gli integrali di Feynman, e più in generale gli integrali di Aomoto-Gauss, Eulero-Mellin e sistemi GKZ soddisfano sistemi lineari di relazioni di contiguità, di equazioni differenziali e di equazioni alle differenze finite. Il nostro gruppo lavora allo sviluppo e applicazione di metodi calcolo basati su reti neurali, di tipo PINN (Physics Informed Neural Network) per la risoluzione dei suddetti sistemi di equazioni. Il nostro gruppo guida l’iniziativa di fenomenologia delle particelle elementari per il progetto High Performance Computing presso il supercalcolatore Leonardo CINECA, in ambito PNRR.
Contatti: Pierpaolo Mastrolia, Ramona Groeber, Manoj K. Mandal
Teorie di Campo Efficaci e Ampiezze di Scattering
Descrizione: I metodi delle ampiezze di scattering hanno dimostrato di fornire un potente strumento per studiare il flusso del gruppo di rinormalizzazione delle teorie di gauge. Abbiamo in programma di elaborare l'applicazione di questi metodi alla rinormalizzazione delle teorie di campo efficaci rilevanti per la fisica delle particelle. In particolare, questo studio fornirà un mezzo prezioso per interpretare le misurazioni sperimentali di osservabili a bassa energia, come i processi di violazione del sapore o i momenti di dipolo elettrico e magnetico, come indotti dalla nuova fisica emergente al di sopra della scala elettrodebole.
Contatti: Mastrolia, Paradisi.