Fisica teorica
all'INFN di Padova
Gli obiettivi di Gruppo 4 sono molteplici: trovare le leggi fondamentali che governano il nostro universo, spiegare i fenomeni fisici osservati in natura, predirne di nuovi e infine renderli fruibili dall’umanità. La moltitudine di problemi studiati dai fisici teorici è enorme: va dalla ricerca dell’origine dell’universo e della sua struttura attuale all’identificazione dei costituenti e delle leggi fondamentali della natura, passando per l’analisi del comportamento quantistico di sistemi di materia condensata, fino alla comprensione di reti complesse di natura fisica, biologica, sociale e tecnologica. Il vasto spettro della ricerca del Gruppo 4 a Padova è basato su solide tradizioni e copre tutti questi e altri aspetti.
Le ricerche in fisica teorica all’INFN sono coordinate su scala nazionale dalla Commissione Scientifica Nazionale 4 (CSN4).
Nel Gruppo teorico di Padova sono presenti sei filoni di ricerca.
Filoni di ricerca
Fisica Astroparticellare e Cosmologia InDark e TAsP
La cosmologia è la disciplina scientifica che studia l’universo nel suo insieme, dai primi istanti della sua vita fino alle fasi più recenti della sua evoluzione. Abbiamo imparato che il nostro universo è composto non solo da stelle, galassie e ammassi di galassie ma anche e soprattutto, da materia ed energia oscura di cui non conosciamo ancora la natura. Svelare il ‘lato oscuro’ dell’universo potrebbe aiutare a comprendere anche dei quesiti aperti nella fisica delle interazioni fondamentali. Per risolvere questi misteri gli scienziati studiano i messaggeri che ci raggiungono dal cosmo, come la radiazione cosmica di fondo, la luce emessa da galassie e ammassi di galassie e recentemente anche le onde gravitazionali.
Se con la luce possiamo vedere stelle e galassie, le onde gravitazionali ci permettono di “ascoltare” l’universo. In questo modo, l’universo ci “parla” attraverso la fusione di buchi neri o stelle di neutroni. Questi eventi estremi sono accompagnati da un enorme quantità di energia che viene emessa sotto forma di onde gravitazionali. InDark e TAsP studiano tutti questi affascinanti fenomeni del nostro universo attraverso un approccio multi-disciplinare, come nella vera natura della cosmologia, usando metodi teorici e numerici, e tecniche di analisi dati all’avanguardia.
Teoria dei Campi e Teoria delle Stringhe GSS e ST&FI
Questa branca della fisica teorica si concentra sulla ricerca di una teoria unificata delle interazioni fondamentali, basandosi su principi di simmetria, geometria e meccanica quantistica. La teoria quantistica di campo offre un quadro unico per descrivere una pletora di fenomeni, che vanno dalla fisica delle particelle elementari alla materia condensata. Tuttavia, questa teoria manca di un elemento importante: una controparte quantistica della teoria della gravità di Einstein, elemento fondamentale per comprendere per esempio l’interno dei buchi neri. La Teoria delle Stringhe è un paradigma di una teoria unificata che include anche la gravità quantistica. È basata sull’assunzione che i costituenti fondamentali della natura siano oggetti estesi, come stringhe e brane, piuttosto che particelle elementari puntiformi. GSS e STEFI studiano proprio le strutture fisiche e matematiche di questa teoria e le connessioni tra il mondo delle stringhe e i fenomeni fisici che osserviamo in natura.
Quantum Science QUANTUM e QCSC
QUANTUM esplora le fondamenta degli aspetti quantistici della natura con lo studio di argomenti che trovano applicazioni dirette nelle scienze e tecnologie quantistiche, in quanto rappresentano il quadro teorico alla base dello sviluppo di computer e simulatori quantistici, sensori quantistici e sistemi di comunicazione quantistici, che promettono di rivoluzionare le attuali tecnologie ICT. Inoltre queste tecnologie innovative danno accesso a filoni di ricerca nuovi con potenziali applicazioni rivoluzionarie nella fisica delle alte energie, chimica, materia condensata, sistemi a multi-corpi e teorie quantistiche di campo.
Il Quantum Computing and Simulation Center (QCSC) dell’Università di Padova è un centro interdisciplinare dedicato allo sviluppo di tecnologie di calcolo e simulazione quantistica, con l’obiettivo di realizzare un computer quantistico a ioni intrappolati general-purpose in Italia. Il centro riunisce università, enti di ricerca – tra cui anche l’INFN – e partner industriali per attività di ricerca su hardware quantistico, algoritmi, simulazioni e applicazioni scientifiche e industriali delle tecnologie quantistiche.
Fisica Nucleare e Adronica MONSTRE
MONSTRE implementa un approccio integrale allo studio della fisica dei nuclei atomici, delle reazioni nucleari e dei sistemi fortemente interagenti, collegando lo sviluppo della teoria della struttura e delle reazioni nucleari con il progresso sperimentale attualmente in corso nella produzione di isotopi rari, la fisica delle interazioni forti ed elettrodeboli e l’astrofisica nucleare. A tal fine è in fase di sviluppo una serie di metodi analitici e computazionali avanzati a molti-corpi.
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Fenomenologia delle Particelle Elementari APINE e AMPLITUDES
La fisica delle particelle studia la struttura fondamentale della materia e le interazioni che la governano. La ricerca si basa sul Modello Standard, che descrive con successo i fenomeni microscopici osservati, ma che non spiega aspetti cruciali come l’origine della massa delle particelle e la materia oscura. Per questo vengono sviluppate nuove teorie oltre il Modello Standard. Il progetto APINE contribuisce sia alla comprensione e alle previsioni del Modello Standard, sia allo sviluppo di teorie che lo estendano per affrontare questioni ancora aperte con un approccio multidisciplinare che integra fisica delle alte energie, delle alte intensità e fisica astroparticellare.
Un modo conveniente per rappresentare le collisioni di particelle ad alta energia è mediante i diagrammi di Feynman, rappresentazioni grafiche dei vari modi in cui le particelle possono trasformarsi o mescolarsi durante un’interazione. Questo approccio, molto sorprendentemente, risulta essere applicabile anche alla descrizione di fenomeni astrofisici, come la fusione di sistemi binari che generano onde gravitazionali. Lo sviluppo di nuovi algoritmi, simulazioni e calcoli su larga scala integra matematica, informatica, data science e intelligenza artificiale. La ricerca di AMPLITUDES in questo campo è altamente interdisciplinare e aperta a nuove applicazioni e contaminazioni provenienti da altri campi delle Scienze Naturali e Sociali.
Per maggiori informazioni: APINE e AMPLITUDES.
Meccanica Statistica e Teoria dei Campi Applicata LINCOLN
Oggi, i sistemi complessi sono onnipresenti in varie aree di ricerca come la fisica dei soft-materials, la biologia cellulare, le neuroscienze, l’epidemiologia e il machine learning. Esempi includono le reti quantistiche, che sono un elemento importante di computer quantistici e di sistemi di comunicazione quantistica, le reti di contatto in proteine e cromatina, sistemi ecologici e sociali, reti metaboliche, reti di trasporto e reti neurali. LINCOLN esplora le proprietà statistiche di queste reti e cerca possibili applicazioni a meccanica quantistica, vita sociale, teoria dell’informazione e biologia con l’utilizzo di strumenti teorici avanzati, e tecniche numeriche di analisi dati all’avanguardia.
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