Attività di ricerca

Il gruppo di Fisica Teorica è attivo in un ampio spettro di aree di ricerca, concentrate nella Fisica delle Particelle e Astroparticelle, Teoria dei Campi e di Stringhe, Fisica Nucleare, fino alla Cosmologia e alla Meccanica Statistica e Fisica dei Sistemi Complessi.La Fisica delle Particelle è la scienza che identifica i costituenti e le forze della natura al livello più fondamentale, con una particolare enfasi nel confrontare le idee teoriche con esperimenti terrestri e osservazioni astrofisiche. I fisici delle particelle sono attualmente interessati nell’identificare quali possibilità teoriche per la fisica oltre il Modello Standard siano compatibili con le osservazioni cosmologiche e gli esperimenti negli acceleratori terrestri e sotterranei. Il lavoro del nostro gruppo si sviluppa lungo molteplici linee di ricerca nell’ambito della fisica delle particelle, che spaziano dalle astroparticelle e la fisica cosmologica che descrive l’universo primordiale, alla fisica del Modello Standard e oltre, che descrive la materia e le interazioni fondamentali a livello subnucleare. Le aree di ricerca sul Modello Standard includono esperti nella fisica del flavour (g-2, neutrino, fisica del K e del B, violazione di CP) e la fisica dell’Higgs. I membri del gruppo hanno svolto un ruolo di primo piano nell’esplorazione di diversi aspetti della fisica oltre il Modello Standard, come per esempio le teorie di campo effettive, la supersimmetria, i modelli con gruppi di gauge estesi, le extra dimensioni e la fenomenologia ispirata alle stringhe. Un'intensa attività di ricerca riguarda lo studio della struttura  delle teorie di campo quantistiche che emerge dalle proprietà analitiche delle ampiezze di scattering: combinando fisica delle alte energie e matematica, il nostro gruppo lavora allo sviluppo di nuovi metodi per teorie di gauge, con l'obiettivo di studiarne sia le proprietà formali che le implicazioni fenomenologiche.

Il nostro gruppo è molto attivo anche nell’ambito della Fisica delle Astroparticelle, una disciplina che connette il microcosmo delle particelle fondamentali e il macrocosmo astronomico delle galassie e dei clusters. Il nostro obiettivo è di investigare questioni fondamentali sulla materia oscura, l’energia oscura e la fisica dei neutrini, mettendo in relazione la fisica delle particelle con osservazioni astrofisiche e cosmologiche. Alcuni membri del gruppo teorico stanno studiando la possibilità di produrre materia oscura direttamente al Large Hadron Collider o di vederla attraverso i suoi decadimenti in particelle ad alta energia che sono prodotte da sorgenti astrofisiche e rilevate da esperimenti sulla terra. Un’altra priorità del nostro gruppo è lo studio delle proprietà dei neutrini e la determinazione delle loro masse e degli angoli di mixing in futuri esperimenti di oscillazioni. Non siamo solo interessati nei segnali provenienti dagli acceleratori, ma anche nelle sorgenti astrofisiche come supernove o il fondo cosmico di neutrini. Infine, una conoscenza dettagliata dei parametri che descrivono la fisica dei neutrini potrebbe fornire una migliore comprensione dell’origine dell’asimmetria tra materia e antimateria che, al momento, trova la sua interpretazione più accreditata nello scenario della Leptogenesi.

Mentre le teorie di campo classiche e quantistiche forniscono la descrizione standard della relatività classica, dell’elettromagnetismo e delle forze nucleari, la teoria di stringhe è attualmente il candidato più promettente per una teoria unificata che descriva tutte le forze della natura a livello quantistico.  Gli interessi di ricerca del nostro gruppo coprono diverse aree in Teoria dei Campi e Teoria di Stringhe. Una parte consistente del nostro lavoro di ricerca si concentra su modelli supersimmetrici. In particolare, lo studio delle teorie di Super-Yang-Mills è volto a comprendere le proprietà del loro spazio dei moduli e degli aspetti non-perturbativi, mentre le teorie di supergravità sono utilizzate come strumenti per lo studio dei meccanismi di rottura della supersimmetria e come descrizioni effettive della teoria di stringhe. Supergravità e teorie di stringhe sono anche utilizzate per acquisire una migliore comprensione della fisica dei buchi neri e del paradosso dell’informazione. Ci sono diverse altre direzioni di ricerca in cui il nostro gruppo è interessato: corrispondenza tra gauge e gravità, esplorazione di modelli fenomenologici motivati dalla teoria di stringhe, aspetti geometrici delle dinamiche delle brane, misura sullo spazio dei supermoduli nelle ampiezze di superstringa, modelli di higher spin, teorie di campo in dimensione inferiore a quattro, teorie di campo conformi e modelli di gauge di Chern-Simons per la superconduttività ad alte temperature.

L’attività del gruppo di fisica nucleare teorica ha come tratto unificante l’idea di correlare gli aspetti fenomenologici con gli approcci microscopici più fondamentali. Una prima linea riguarda gli effetti delle correlazioni a molti corpi sulle proprietà spettroscopiche, con enfasi sugli stati di singola particella e sulle eccitazioni collettive. Gli aspetti legati all’interazione effettiva sono studiati nell’ambito del modello a shell nei nuclei lontani dalla stabilità, sia in quelli ricchi di neutroni, nei quali si osservano cambi nei valori dei numeri magici, sia in quelli ricchi di protoni, dove si manifestano gli effetti della rottura della simmetria di isospin.  La struttura dei nuclei esotici è esplorata anche nell’ambito di modelli basati sulla teoria dei gruppi, risolvendo il problema a pochi corpi (sia con fermioni sia con strutture preformate a cluster) usando tecniche di tipo algebrico. Una seconda linea è rivolta alla dinamica delle eccitazioni nucleari e ai meccanismi di reazione, in particolare in reazioni con nuclei debolmente legati e/o con grandi eccessi neutronici (ad esempio  per l’eccitazione di stati dipolari a bassa energia o per il ruolo dell’interazione di pairing in processi di trasferimento di due nucleoni). Un altro argomento di ricerca è dato dalla descrizione di emissione spontanea di uno o due protoni da stati eccitati. Un’altra linea di ricerca è basata su un approccio teorico (MCAS) che descrive i processi d’urto nucleari sulla base di in Hamiltoniano nucleare effettivo “cluster-like” che include le correlazioni a bassa energia presenti nel proiettile e nel bersaglio.

Il gruppo è particolarmente attivo anche nello sviluppo di linee di ricerca che si pongono all'interfaccia tra la Cosmologia e la Fisica Fondamentale, legate allo studio dell'Universo primordiale e alla comprensione dell'attuale accelerazione nell'espansione cosmologica. Consideriamo sia aspetti teorici che osservativi. Per quanto riguarda l'Universo primordiale, ci concentriamo sullo studio delle proprietà statistiche delle fluttuazioni primordiali e del fondo di onde gravitazionali da Inflazione. Relativamente all'accelerazione cosmica a bassi redshift, particolare attenzione è posta  sullo studio di modelli di gravità modificata su scale cosmologiche.

Infine, diversi membri del gruppo sono impegnati su problemi relativi alla Meccanica Statistica e alla Fisica dei Sistemi Complessi. Vengono trattati temi interdisciplinari quali la fisica dei biopolimeri e delle proteine, le dinamiche dei cristalli liquidi, i moti collettivi in sistemi di particelle auto-propellenti, fisica dei sistemi ecologici, fisica biologica ed econofisica. Il nostro approccio a questi argomenti include attività di data mining, analisi dati, analisi statistica, modellizzazione computazionale e analitica.

Altre informazioni, notizie e seminari si possono trovare alla pagina web del gruppo di Fisica Teorica  dell’INFN.

  Research Activity

The activities of the Theoretical Physics group span a wide range of research directions, focused on Particle Physics and Astroparticles, Field and String theory, Nuclear Physics, Cosmology and Statistical Physics.

Particle Physics is the science which identifies nature's constituents and interactions at the most fundamental level, with an emphasis on comparing theoretical ideas with both terrestrial experiments and astrophysical observations. Particle physicists are currently involved in identifying how cosmological observations, terrestrial accelerator and underground experiments constrain the theoretical possibilities for physics beyond the Standard Model. Our group is pursuing diverse research lines within the framework of theoretical particle physics, ranging from astroparticle and cosmological physics that describes the physics of the early Universe, to the physics of the Standard Model and beyond that describes the fundamental interactions and matter of the subnuclear world. Research areas of the Standard Model include expertise in flavour physics (g-2, neutrino, K and B physics, CP violation) and Higgs physics. Group members have played a major role in exploring many different aspects of physics Beyond the Standard Model, such as effective field theories, supersymmetry, extended gauge group models, extra dimensions and string inspired phenomenology.  A vivid research activity focuses on the structure of Quantum Field Theories emerging from the analytic properties of scattering amplitudes. By combining high-energy physics and mathematics, our group works on the development of novel methods in perturbative gauge theory, reaching from formal developments to phenomenological applications.

Our group is also very active in the area of Astroparticle Physics, which lies at the intersection between the microcosmos of fundamental particles and the astronomical macrocosmos of galaxies and clusters. Our goal is to shed some light on fundamental questions about dark matter, dark energy and neutrino physics by connecting particle physics and astrophysical and cosmological observations. Several members of our group are studying the possibility of producing dark matter directly at the Large Hadron Collider or seeing it through its decays into highly energetic particles that are produced by astrophysical sources and detected by earth-based experiments. Studying the properties of neutrinos and determining its masses and mixing angles in future oscillation experiments is also a priority of our group. We are not only interested in accelerator signatures, but also in the astrophysical sources such as supernovae or relic neutrinos. Finally, a detailed knowledge of the neutrino parameters might shed some light into the origins of the matter/anti-matter asymmetry which, at the moment, is best understood in terms of the Leptogenesis scenario.

While classical and quantum field theories offer today's standard description of classical gravity, of electromagnetism and of the nuclear forces, string theory is currently the most viable candidate for a unified theory of physics which describes all forces of nature at the quantum level. The research interests of our group cover several areas in Field and String Theory.  A considerable part of our activity is focused on supersymmetric models. In particular, Super-Yang-Mills theories are investigated to better understand the properties of their moduli space and their non-perturbative behaviour, while Supergravity theories are used as tools to better understand the mechanisms of supersymmetry breaking and as effective theories for string theory. Supergravity and string theory are also used to better understand the physics of black holes and the information problem. Other research directions explored by our group include the gauge-gravity correspondence, string-motivated phenomenological models, geometric aspects of the brane dynamics, the measure on the supermoduli space relevant for string amplitudes, higher spin models, lower dimensional field theories, conformal field theories and Chern-Simons gauge models for high temperature superconductivity.

The research activity in Nuclear Theory has the unifying characteristic of correlating the phenomenology to fundamental microscopic approaches. A first research line concerns the influence of many-body correlations on the nuclear spectroscopic properties, with emphasis on both single particle and collective excitations. The properties of the effective interaction are studied in the shell model in nuclei far from stability, both in neutron-rich nuclei, where changes in the magic numbers are observed, and in proton-rich nuclei where the isospin symmetry breaking effects manifest. The structure of exotic nuclei is also explored by using group-theory based methods, solving the few-body problem (both with fermions and with preformed cluster structures) by using algebraic based techniques. A second line concerns the dynamics of nuclear excitations and the reaction mechanisms, in particular in reactions with weakly-bound nuclei and/or large neutron excess (e.g. the excitation of the low-lying dipole modes and of the role of the pairing interaction in two-particle transfer processes). We are also interested in studying the one- and two-proton spontaneous emission from excited states. Another line of research is based on a theoretical approach (called MCAS)  that describes the nuclear scattering processes starting from an effective nuclear cluster-like Hamiltonian which accounts the soft (low-energy) correlations of the target/projectiles.

Our group has also a strong interest in research focusing on the interplay between Cosmology and Fundamental Physics, involving studies of the Early Universe and of the present day cosmic acceleration. We consider both theoretical and observational aspects.

Early Universe studies revolve around inflationary mechanisms for the generation of primordial cosmological perturbations, with special focus on the study of beyond Gaussian statistics of primordial fluctuations and of the Primordial Gravitational Wave (PGW) background. Regarding low-redshift cosmic acceleration, our interest is centered on the study of Modified Gravity (MG) models on cosmological scales.

Finally, several members of our group are active in areas ranging from Statistical Mechanics to Complex Systems Physics. We deal with interdisciplinary topics such as biopolymer and protein physics, liquid crystal dynamics, collective motions in self-propelling particle systems, physics of ecological systems, biological and physics econophysics. Our approach to these topics includes data mining, data analysis, statistical analysis, computational and analytic modeling.

For more information, news, and seminars, please visit the webpage of the INFN Theoretical Physics group in Padua.