I Progetti PRIN 2022 presso la Sezione di Padova

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AxionOrigins: towards a complete theory for the origin of the axion – PRIN 2022K4B58X
P.I. e Responsabile di Unità INFN: Di Luzio Luca
Budget totale € 105.136,00 – Contributo MUR € 98.607,00
Inizio: 28/09/2023 – Fine: 28/02/2026

AxionOrigins ha investigato estensioni del Modello Standard che coinvolgono assioni e particelle tipo-assione (axion-like particles, ALPs), con l’obiettivo generale di chiarirne l’origine teorica e di individuare implicazioni solide e verificabili per esperimenti e osservazioni. Un tema centrale è stato il problema della “qualità” della simmetria di Peccei–Quinn (PQ), ossia come la soluzione assionica al problema dello “strong-CP” possa rimanere stabile rispetto a effetti ultravioletti (UV). In questo contesto, il progetto ha esplorato costruzioni basate su simmetrie di gauge, incluse configurazioni con simmetrie di gauge orizzontali e schemi basati su teorie di Grande Unificazione (GUT), studiandone le conseguenze fenomenologiche.

In parallelo, AxionOrigins ha sviluppato un ampio programma fenomenologico che collega scenari di tipo assione/ALP ad osservabili di laboratorio, nonché a segnali astrofisici e cosmologici. Combinando model building, metodi di teoria di campo efficace e analisi fenomenologiche, il progetto ha delineato regioni motivate dello spazio dei parametri e ha fornito obiettivi e strategie concrete per le ricerche attuali e di prossima generazione.

Nel complesso, il progetto ha ottenuto progressi significativi nel model building e nella fenomenologia degli assioni. In particolare, l’unità INFN ha svolto attività di ricerca focalizzate sul model building assionico, sulla fenomenologia e sullo sviluppo di segnali sperimentali testabili, con particolare attenzione a osservabili di bassa energia e ad ambienti cosmologici/astrofisici. Tali attività hanno portato a diverse pubblicazioni nel periodo 2024–2026. Tra i risultati rappresentativi si includono: (i) sonde a bassa energia e nuove strategie sperimentali, tra cui la radioattività alfa e i decadimenti nucleari deboli in ambienti “deep underground” come sonde di assioni di materia oscura [4,9], momenti di dipolo elettrico oscillanti indotti da accoppiamenti assione–fermione [1], possibili segnali in ambienti a basso fondo [11] e osservabili di forze macroscopiche mediate da assioni [5]; (ii) sviluppi di teorie efficaci adroniche per ALPs con violazione di CP e relative implicazioni osservative [2] e studi che collegano gli accoppiamenti di ALP a osservabili di collider, come i decadimenti radiativi dei quarkoni pesanti [3]; (iii) cosmologia degli assioni, inclusi nuovi meccanismi di produzione assionica [6] e cataloghi di modelli di assioni di QCD cosmologicamente consistenti [8]; (iv) sorgenti astrofisiche, inclusi studi legati alle supernove rilevanti per gli accoppiamenti assionici in ambienti densi [7]. 

Infine, una linea centrale sulla qualità della simmetria di PQ e su meccanismi di model building basati sulla combinazione di simmetrie di gauge verticali e orizzontali è culminata in una pubblicazione [10] che è stata selezionata come immagine di copertina della rivista EPJC numero 86/1.

Elenco delle pubblicazioni (membri della collaborazione PRIN in grassetto):

[1] L. Di Luzio, H. Gisbert and P. Sørensen, “On the oscillating electric dipole moment induced by axion-fermion couplings,” JHEP 04 (2024), 076 doi:10.1007/JHEP04(2024)076 [arXiv:2308.16135 [hep-ph]]. Published on 12/04/2024

[2] L. Di Luzio, G. Levati and P. Paradisi, “The chiral Lagrangian of CP-violating axion-like particles,” JHEP 02 (2024), 020 doi:10.1007/JHEP02(2024)020 [arXiv:2311.12158 [hep-ph]]. Published on 02/02/2024

[3] L. Di Luzio, A. W. M. Guerrera, X. Ponce Diaz and S. Rigolin, “Axion-like particles in radiative quarkonia decays,” JHEP 06 (2024), 217 doi:10.1007/JHEP06(2024)217 [arXiv:2402.12454 [hep-ph]]. Published on 28/06/2024

[4] C. Broggini, G. Di Carlo, L. Di Luzio and C. Toni, “Alpha radioactivity deep-underground as a probe of axion dark matter,” Phys. Lett. B 855 (2024), 138836 doi:10.1016/j.physletb.2024.138836 [arXiv:2404.18993 [hep-ph]]. Published on 28/06/2024

[5] L. Di Luzio, H. Gisbert, F. Nesti and P. Sørensen, “Axion window on new macroscopic forces,” Phys. Rev. D 110 (2024) no.11, 11 doi:10.1103/PhysRevD.110.115034 [arXiv:2407.15928 [hep-ph]]. Published on 24/12/2024

[6] L. Di Luzio and P. Sørensen, “Axion production via trapped misalignment from Peccei-Quinn symmetry breaking,”  JHEP 10 (2024), 239 doi:10.1007/JHEP10(2024)239 [arXiv:2408.04623 [hep-ph]]. Published on 30/10/2024

[7] L. Di Luzio, V. Fiorentino, M. Giannotti, F. Mescia and E. Nardi, “Do finite density effects jeopardize axion nucleophobia in supernovae?,” Phys. Rev. D \textbf{111} (2025) no.1, 015018 doi:10.1103/PhysRevD.111.015018 [arXiv:2410.04613 [hep-ph]]. Published on 22/02/2025

[8] L. Di Luzio, S. Hoof, C. Marinissen and V. Plakkot, “Catalogues of cosmologically self-consistent hadronic QCD axion models,” JCAP 04 (2025), 072 doi:10.1088/1475-7516/2025/04/072 [arXiv:2412.17896 [hep-ph]]. Published on 24/04/2025

[9] J. Alda, C. Broggini, G. Di Carlo, L. Di Luzio, D. Piatti, S. Rigolin and C. Toni, “Weak nuclear decays deep-underground as a probe of axion dark matter,” Phys. Rev. D 111 (2025) no. 3, 035022 doi:10.1103/PhysRevD.111.035022 [arXiv:2412.20932 [hep-ph]]. Published on 24/02/2025

[10] L. Di Luzio, G. Landini, F. Mescia and V. Susič, “High-quality Peccei-Quinn symmetry from the interplay of vertical and horizontal gauge symmetries,” Eur. Phys. J. C \textbf{86} (2026) no. 1, 5 doi:10.1140/epjc/s10052-025-15175-w [arXiv:2503.16648 [hep-ph]]. Published on 05/01/2026

[11] C. Broggini, G. Di Carlo, L. Di Luzio, D. Piatti and C. Toni, “Probing a light scalar boson with a few-MeV proton beam deep underground,” Phys. Rev. D 112 (2025) no. 9, 095037 doi:10.1103/ms4p-zymy [arXiv:2509.03486 [hep-ph]]. Published on 24/11/2025

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Cold paramagnetic polar molecules: from particle physics to quantum technology – PRIN 20227F5W4N
Responsabile di Unità INFN: Carugno Giovanni
Budget totale € 70.873,00 – Contributo MUR € 36.577,00
Inizio: 28/09/2023 – Fine: 28/02/2026

Il momento di dipolo elettrico (EDM) delle particelle elementari è diventato un parametro fondamentale da misurare. Infatti, un EDM permanente di una particella con momento angolare di spin violerebbe direttamente la simmetria T, diventando così una forte indicazione dell’esistenza di una nuova fisica oltre il Modello Standard (BSM). Inoltre, seguendo i criteri di Sakharov, una violazione di “T” è obbligatoria per spiegare lo squilibrio macroscopico materia-antimateria nel nostro Universo. In una teoria BSM, l’EDM delle particelle elementari potrebbe fornire vincoli sulla massa delle particelle BSM superiori alla scala TeV, molto più grande della scala energetica accessibile all’LHC. Negli ultimi anni, l’uso di fasci freddi di molecole reattive ha portato a un limite di 10-30 e cm per l’EDM degli elettroni. Nuove proposte, per lo più basate su tecniche atomiche, molecolari e ottiche, sono apparse di recente con una crescente sensibilità all’EDM degli elettroni. Tra tali proposte, ci si aspetta un miglioramento significativo dai sistemi basati su molecole polari incorporate in una matrice fredda di gas inerte. Questo progetto intende realizzare un apparato sperimentale per drogare crio-cristalli di para-idrogeno (pH2) con molecole paramagnetiche dipolari.
Durante l’ultimo anno abbiamo concentrato i nostri sforzi sperimentali sulla crescita di cristalli criogenici di para-idrogeno a temperature di pochi gradi Kelvin, eseguendo studi spettroscopici su tale matrice in modo da caratterizzare il contenuto di orto-idrogeno di tali cristalli. È stata utilizzata una configurazione diversa per produrre molecole di BaF in volo tramite un approccio di ablazione, con conseguente produzione ad alta resa.

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Unveiling the role of low dimensional activity manifolds in biological and artificial neural networks – PRIN 2022HSKLK9
Responsabile di Unità INFN: Zucchetta Alberto
Budget totale € 84.800,00 – Contributo MUR € 84.800,00
Inizio: 28/09/2023 – Fine: 28/02/2026

Il progetto mira a sviluppare un modello predittivo delle attività neurali a bassa dimensionalità basato su reti neurali artificiali. L’obiettivo del progetto consiste nello sviluppo di una pipeline analitica per identificare strutture a bassa dimensionalità nei dati neurali, e lo sviluppo di un modello “spiegabile” basato su reti neurali ricorrenti.
Questo modello sarà utilizzato per riprodurre previsioni verificabili sulla risposta a stimoli ottico-cinetici di un semplice animale (D.rerio), avanzando l’integrazione delle tecniche più avanzate di machine learning con le neuroscienze.