Fisica astroparticellare
all'INFN di Padova
Le attività di ricerca del Gruppo 2 a Padova coprono un’ampia varietà di argomenti come le onde gravitazionali, le proprietà dei neutrini prodotti in acceleratori o reattori nucleari o provenienti da terra, sole, supernovae o raggi cosmici. I nostri esperimenti ricercano nuove particelle, come l’assione, piccole deviazioni dalla teoria della relatività generale o l’esistenza di particolari decadimenti radioattivi beta “senza neutrini”. Rilevano fotoni ad altissime energie provenienti dal cosmo e studiano le galassie per investigare la cosiddetta “energia oscura”.
Le ricerche in fisica astroparticellare all’INFN sono coordinate su scala nazionale dalla CSN2.
La sezione INFN di Padova partecipa alle seguenti attività di ricerca:
Esperimenti
CTAo
CTAo è un osservatorio astronomico molto grande alle Isole Canarie, dedicato allo studio dei raggi gamma ad alta energia provenienti dall’universo. Questi ultimi sono importanti messaggeri di fenomeni che avvengono negli oggetti celesti più potenti, come buchi neri e supernovae, che possiamo usare per mettere alla prova le leggi fisiche in condizioni estreme di energia e gravità. Il telescopio è composto da un enorme insieme di specchi, capaci di rilevare la debole luce emessa dai raggi cosmici quando attraversano l’atmosfera.
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CUORE / CUPID
CUPID (CUORE Upgrade with Particle IDentification) è il nuovo esperimento in costruzione presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dedicato alla ricerca del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini del tellurio. Basandosi sull’infrastruttura e sull’esperienza di CUORE, CUPID utilizzerà rivelatori criogenici di nuova generazione capaci di misurare simultaneamente calore e luce prodotti dalle interazioni nei cristalli sensibili. Questa tecnologia permetterà un’efficace identificazione delle particelle e una drastica riduzione del fondo sperimentale per aumentare significativamente la sensibilità. CUORE è anche noto per essere il metro cubo più freddo dell’universo.
EINSTEIN TELESCOPE (ET)
Einstein Telescope (ET) è il futuro osservatorio europeo per le onde gravitazionali, progettato per raggiungere una sensibilità dieci volte superiore agli attuali rivelatori ed esplorare frequenze più basse. Consentirà di studiare buchi neri, stelle di neutroni e altri fenomeni estremi, rafforzando l’astrofisica multimessaggera e offrendo nuove opportunità per indagare l’evoluzione dell’Universo e la fisica fondamentale. Il gruppo di Padova contribuisce allo sviluppo delle tecnologie chiave per i futuri rivelatori, lavorando su coating ottici a basso rumore termico (CoMET, Rovigo), tecniche quantistiche per ridurre le fluttuazioni della luce (LNL) e soluzioni avanzate per mitigare il rumore da luce diffusa presso il laboratorio dedicato di Padova.
EUCLID
Euclid è una missione dell’Agenzia Spaziale Europea progettata per mappare la geometria dell’universo oscuro, analizzando le forme e gli spostamenti verso il rosso di miliardi di galassie in un’area che copre oltre un terzo del cielo, con l’obiettivo di definire meglio la natura dell’energia oscura e della materia oscura. Lanciata il 1° luglio 2023 a bordo di un Falcon 9 di SpaceX da Cape Canaveral, opera da un’orbita halo attorno al punto L2 del sistema Sole-Terra. La missione è attualmente nella fase di rilevamento; una prima serie di dati di rilevamento è stata pubblicata nel marzo 2025, mentre la prima pubblicazione completa dei dati cosmologici è prevista per ottobre 2026.
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FERMI
Fermi Gamma-ray Space Telescope è un osservatorio spaziale dedicato allo studio dell’universo alle più alte energie. In orbita dal 2008, il satellite osserva raggi gamma provenienti da fenomeni estremi come buchi neri, stelle di neutroni, supernove e lampi gamma. Grazie alla sua sensibilità e all’ampio campo di vista, Fermi fornisce una mappa dinamica del cielo ad alta energia, contribuendo allo studio della fisica fondamentale e dei processi più energetici del cosmo e permette una visione senza precedenti di fenomeni fisici dal sistema solare ai confini più remoti del cosmo.
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LEGEND
LEGEND (Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless Double Beta Decay) è un esperimento internazionale ospitato nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dedicato alla ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini nel germanio-76. Utilizzando rivelatori di germanio arricchito ad altissima purezza e tecniche avanzate di riduzione del fondo, LEGEND punta a raggiungere una sensibilità senza precedenti. Il progetto rappresenta uno dei principali sforzi mondiali per esplorare nuova fisica oltre il Modello Standard attraverso la misura di processi estremamente rari.
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JUNO
JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) è il più grande esperimento al mondo per lo studio dei neutrini basato sulla tecnologia dello scintillatore liquido. L’osservatorio, situato a circa 700 metri di profondità nella provincia del Guangdong in Cina, è costituito da un rivelatore sferico contenente 20,000 tonnellate di scintillatore liquido ultrapuro, osservato da circa 45,000 fotomoltiplicatori. Questa configurazione sperimentale consente di misurare l’energia dei neutrini con una precisione senza precedenti. Osservando i neutrini prodotti da due centrali nucleari, JUNO determinerà l’ordinamento delle masse dei neutrini e ridurrà significativamente l’incertezza sui parametri delle loro oscillazioni. L’esperimento è inoltre un osservatorio di riferimento per neutrini provenienti dal Sole, dall’interno della Terra, dalle esplosioni di supernova e da altre sorgenti cosmiche.
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KM3NeT
KM3NeT è un’infrastruttura per la rivelazione di neutrini nelle profondità del Mar Mediterraneo, composta dai telescopi ARCA (Sicilia), dedicato ai neutrini cosmici ad altissima energia, e ORCA (Francia), focalizzato sui neutrini atmosferici. Una volta completato l’installazione, KM3NeT potrà osservare l’87% del cielo, incluso il centro galattico. È anche un osservatorio multidisciplinare per il monitoraggio degli ecosistemi marini. Nel 2025 ha rivelato il neutrino più energetico mai osservato. La Sezione di Padova è attualmente presente come istituto osservatore.
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MOONLIGHT-2
L’esperimento MoonLIGHT-2 (Moon Laser Instrumentation for General relativity High-accuracy Tests) studia la gravità misurando con estrema precisione la distanza tra la Terra e gli altri corpi celesti. Per farlo, si fa uso della misura del tempo che impulsi laser, inviati tramite dei telescopi, impiegano a percorrere la distanza tra questi e dei riflettori, installati su satelliti artificiali in orbita, sulla Luna o su Marte.
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QUAX
Fra i candidati più promettenti per la materia oscura ci sono gli assioni. L’esperimento QUAX, in corso ai Laboratori Nazionali di Legnaro, sta investigando se queste particelle leggere ma potenzialmente molto abbondanti permeano il nostro spazio. Per riuscirci, impiega sfere magnetiche poste all’interno di un campo elettromagnetico molto intenso presente all’interno di un conduttore di rame eccitato da onde radio.
RADIOAXON
L’esperimento RadioAxion mira a rilevare gli assioni della materia oscura cercando i cambiamenti modulati nel tempo nelle costanti di decadimento dell’Americio-241 (decadimento alfa) e del Potassio-40 (decadimento per cattura elettronica). Per studiare i decadimenti indipendentemente dal flusso di raggi comici, in particolare dalla sua variazione temporale durante l’anno (2-3 percento), abbiamo installato l’apparato sperimentale nei Laboratori sotterranei del Gran Sasso, in un container posto di fronte alla Hall B.
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SWGO
SWGO (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory) è un osservatorio internazionale dedicato allo studio di raggi gamma e raggi cosmici di altissima energia attraverso la rivelazione degli sciami atmosferici prodotti nelle loro interazioni con l’atmosfera terrestre. L’esperimento sarà installato ad alta quota sulle Ande sudamericane e utilizzerà una rete di rivelatori Cherenkov ad acqua distribuiti su alcuni chilometri quadrati. SWGO sarà sensibile a fotoni gamma da poche decine di TeV fino a decine di PeV e studierà le sorgenti astrofisiche più energetiche e l’origine dei raggi cosmici. Grazie all’ampio campo di vista e all’elevata continuità operativa, monitorerà continuamente una grande frazione del cielo australe. Il progetto coinvolge una vasta collaborazione internazionale, con la partecipazione dell’INFN allo sviluppo dei rivelatori e delle attività di analisi dati.
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VIRGO
VIRGO è un interferometro laser per la rivelazione delle onde gravitazionali situato presso l’European Gravitational Observatory (EGO) di Cascina, vicino Pisa. Costituito da due bracci lunghi 3 km e tra loro perpendicolari, misura variazioni di distanza estremamente piccole causate dal passaggio delle onde gravitazionali generate da eventi cosmici violenti, come fusioni di buchi neri e stelle di neutroni. Insieme ai rivelatori LIGO e KAGRA, VIRGO contribuisce alla localizzazione delle sorgenti e rappresenta uno strumento fondamentale per lo sviluppo dell’astronomia multimessaggera e lo studio dell’Universo estremo.
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