Fisica Teorica all'INFN di Padova
Gli obiettivi principali della fisica teorica 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 teorici è enorme: va dalla ricerca dell’origine dell’universo e della sua struttura attuale all’identificare i costituenti fondamentali della natura, passando attraverso 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 lunghe tradizioni e copre tutti questi e altri aspetti.
Sono presenti sei filoni di ricerca nella CSN 4 all’interno dei quali si inseriscono le iniziative specifiche INFN: GSS, STEFI, AMPLITUDES, APINE, MONSTRE, NUCSYS, QUANTUM, InDARK, TAST, TEONGRAV e LINCOLN.
Fisica Astroparticellare e Cosmologia (InDark, TAsP, TEONGRAV)
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, TAsP e TEONGRAV 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.
Responsabile locale: Nicola Bartolo (InDark), Francesco D’Eramo (TAsP), Giuliano Iorio (TEONGRAV)
Teoria dei Campi e Teoria delle Stringhe (GSS, STEFI)
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.
Reposabile locale: Gianluca Inverso (GSS), Alessandro Sfondrini (STEFI)
Metodi Matematici (QUANTUM)
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.
Responsabile locale: Simone Montangero
Fisica Nucleare e Adronica (MONSTRE, NUCSYS)
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.
NUCSYS usa moderne tecniche di scattering e metodi teorici della dinamica dei clusters per studiare nuclei lontani dalla stabilità, in particolare sistemi nucleari debolmente legati o nuclei leggeri e di massa intermedia non-legati. Simula sistemi nucleari instabili mai studiati prima che potranno essere riprodotti in laboratorio presso le ‘Rare Isotope and Radioactive Ion Beam (RIB) facilities’. Inoltre NUCSYS fornisce supporto teorico e consulenza ai laboratori INFN attivi nei progetti di fisica nucleare applicata, che si occupano della produzione di radionuclidi innovativi e composti radioattivi per terapie avanzate e diagnostica in medicina.
Responsabile locale: Lorenzo Fortunato (MONSTRE), Luciano Canton (NUCSYS)
Fenomenologia delle Particelle Elementari (AMPLITUDES, APINE)
Lo scopo della fisica delle particelle è investigare la natura dei costituenti fondamentali della materia e capire come essi interagiscono. Da una parte si studia il cosiddetto “Modello Standard delle Interazioni Fondamentali”, un modello ben comprovato sperimentalmente che descrive tutti i fenomeni microscopici osservati finora. La ricerca in quest’ambito punta a spiegare e prevedere i risultati degli esperimenti. Dall’altra parte il Modello Standard lascia diverse questioni fondamentali insolute, come ad esempio l’origine della massa delle particelle o la natura della materia oscura. Pertanto, la ricerca è anche orientata verso la costruzione di possibili teorie che estendano il Modello Standard. Ci si aspetta che gli sforzi sperimentali dei prossimi anni permetteranno un significativo miglioramento nella comprensione dei problemi aperti in fisica delle particelle. APINE fornisce il supporto teorico necessario a questi sforzi sperimentali. Il nostro approccio è multi-disciplinare e su più fronti, toccando le tre frontiere della fisica delle alte energie, delle alte intensità e la fisica astroparticellare.
Le collisioni di particelle ad alta energia rappresentano il quadro ideale per accedere a nuove informazioni sui costituenti della materia e sulle forze della Natura. Un modo conveniente per rappresentare le collisioni 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 il collasso gravitazionale di un sistema binario di oggetti massicci, come una coppia buco nero/stella di neutroni, che fondendosi danno origine alle Onde Gravitazional. L’implementazione algoritmica di nuove idee computazionali, simulazioni e calcoli su larga scala beneficia di profondi concetti matematici e delle nuove strategie in informatica, data science, e intelligenza artificiale. La ricerca di AMPLITUDES in questo campo è altamente interdisciplinare e aperta a nuove applicazioni e a nuove contaminazioni provenienti da altri campi delle Scienze Naturali e Sociali.
Responsabile locale: Pierpaolo Mastrolia (AMPLITUDES), Paride Paradisi (APINE)
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.
Responsabile locale e nazionale: Enzo Orlandini