Didattica - Università degli Studi di Padova

Syllabus

Prerequisiti:	Il corso è autoconsistente in quanto le necessarie basi di meccanica quantistica relativistica, teoria dei campi e relatività generale verranno fornite durante il corso.
Conoscenze e abilita' da acquisire:	Una piena comprensione delle primissime fasi del nostro Universo durante i primi secondi dopo il Big Bang, richiede non soltanto conoscenze di cosmologia ed astrofisica ma anche di fisica delle particelle elementari. Scopo del corso e' fornire una visione di insieme di queste discipline attraverso un' introduzione dei Modelli Standard cosmologico e delle particelle elementari.
Modalita' di esame:	Esame orale.
Criteri di valutazione:	La valutazione della prova orale si baserà sul grado di comprensione degli argomenti affrontati a lezione e sulla capacita' di esporli in maniera logica e coerente.
Contenuti:	1) INTRODUZIONE: Universo osservabile e sua espansione, materia oscura, resti del Big Bang. 2) MECCANICA QUANTISTICA RELATIVISTICA: equazioni di Dirac e Klein-Gordon; limite non-relativistico; antiparticelle e loro proprietà; simmetrie discrete: P, T, C ed teorema CPT. 3) TEORIA QUANTISTICA DEI CAMPI: campi di Klein-Gordon, Dirac ed elettromagnetico; connessione spin-statistica; teorema di Noether; tensore energia-impulso; interazione radiazione-materia: derivata covariante e QED; teoria dello scattering: matrice S, funzioni di Green, propagatori, regole di Feynman, sezioni d'urto e tassi di decadimento. 4) ROTTURA SPONTANEA DI SIMMETRIA (SSB): SSB di simmetrie discrete e globali continue: il teorema di Goldstone; SSB di simmetrie locali continue: meccanismo di Higgs; SSB a temperatura finita. 5) IL MODELLO STANDARD (SM) DELLE PARTICELLE: teoria di Fermi; teoria (V-A) x (V-A); teoria di Yang-Mills; teoria elettrodebole standard; SSB della simmetria elettrodebole; spettro di massa ed interazioni tra particelle; matrice CKM; meccanismo GIM; violazione di CP; gruppo di sapore dello SM: conservazione dei numeri barionico e leptonico (di famiglia); scoperta del bosone di Higgs ad LHC. 6) FISICA DEL NEUTRINO: masse di Dirac e Majorana; meccanismo see-saw; neutrini massivi nello SM; matrice PMNS; meccanismo GIM e tasso di decadimento di mu->e gamma; doppio decadimento beta senza neutrini; oscillazione dei neutrini nel vuoto e nella materia: effetto MSW; neutrino solari ed atmosferici; violazione di CP; esperimenti di oscillazioni dei neutrini; neutrini da Supernovae. 7) OLTRE IL MODELLO STANDARD: teorie di grande unificazione (GUTs); modello SU(5): SSB e gerarchia di Gauge, unificazione delle costanti di accoppiamento, decadimento del protone, masse ed angoli di mescolamento fermionici; SO(10) ed il meccanismo see-saw. 8) RELATIVITÀ GENERALE: principio di equivalenza; spazio-tempo curvo; tensore energia-impulso; equazioni di Einstein, soluzione di Schwarzschild. 9) MODELLI COSMOLOGICI: modello di de Sitter; modello standard cosmologico; metrica FLRW; equazioni di Friedmann; costante cosmologica. 10) TERMODINAMICA DELL'UNIVERSO PRIMORDIALE: equilibrio termodinamico; entropia; temperature di disaccoppiamento. 11) MATERIA OSCURA (MO): evidenze osservative; congelamento e MO; equazione di Boltzmann; MO fredda, bollente e calda; particelle massive debolmente interagenti (WIMPs); candidati di MO in fisica delle particelle; limiti cosmologici sulle masse dei neutrini; ricerche dirette ed indirette di MO. 12) INFLAZIONE: problemi dell'orizzonte, della piattezza e dei monopoli del modello BIG BANG standard; meccanismo dell'inflazione; fluttuazioni quantistiche dell'inflatone; modelli di inflazione; energia oscura. 13) BARIOGENESI: condizioni di Sakharov; interazioni che violano i numeri barionico (B) e leptonico (L); violazione di B e L nello SM via anomalie; conservazione di B--L nello SM; meccanismo elettrodebole; violazione di B in GUTs; generazione di asimmetrie in decadimenti di particelle; asimmetria barionica e masse dei neutrini: leptogenesi. 14) Fondi dovuti ai raggi cosmici, radioattività naturale, soppressione dei fondi in laboratorio sotterraneo (Gran Sasso). 15) Combustione dell'idrogeno nel sole, catena protone-protone e ciclo CNO. Flusso e spettro dei neutrini solari. 16) Misure di astrofisica nucleare in laboratorio sotterraneo, esperimento Luna al Gran Sasso, studio della combustione di 3He nella catena protone-protone. 17) Misura di 14N(p,gamma)15O underground, risultati e conseguenze. Misure future di Astrofisica nucleare. Esperimenti sui neutrini solari: radiochimici e diretti, risultati e conseguenze.
Attivita' di apprendimento previste e metodologie di insegnamento:	Lezioni frontali.
Eventuali indicazioni sui materiali di studio:	Verranno fornite agli studenti dettagliate note su tutti gli argomenti del corso. In una versione più dettagliata del programma, che verrà consegnato agli studenti ad inizio corso, saranno indicati i paragrafi o capitoli dei testi di riferimento dove la trattazione dei vari argomenti del corso ha preso maggiormente spunto.
Testi di riferimento:	Bergstrom, Lars; Goobar, Ariel, Cosmology and particle astrophysics. Berlin: Springer, 2003. Perkins, Donald H., Particle astrophysics. Oxford: Oxford University Press, 2009. Gorbunov, Dmitry S.; Rubakov, Valery A., Introduction to the Theory of the Early Universe: Hot Big Bang Theory. Singapore: World Scientific Publishing Company, 2011. Kolb, Edward W.; Turner, Michael S., The early universe. Redwood City: California, Addison-Wesley, 1994. Bilenky, Samoil, Introduction to the physics of massive and mixed neutrinos. Berlin: Springer, 2010. Giunti, Carlo; Kim, Chung Wood, Fundamentals of neutrino physics and astrophysics. Oxford: Oxford University press, 2007. Cheng, Ta-Pei; Li, Ling-Fong, Gauge theory of elementary particle physics. Oxford: Clarendon Press, 1984. Schwartz, Matthew Dean, Quantum field theory and the standard modelMatthew D. Schwartz. Cambridge: Cambridge univ. press, 2014. Peskin, Michael E.; Schroeder, Daniel V., An introduction to quantum field theory. Reading: Mass., Addison-Wesley, 1995. Bjorken, James D.; Drell, Sidney D., Relativistic quantum mechanics. New York: McGraw-Hill, 1964.