RELATIVITÀ, FISICA DELLE PARTICELLE, GALASSIE E BUCHI NERI - ON-LINE

12 - 22 APRILE 2021

Per gli STUDENTI del biennio e triennio della SCUOLA SUPERIORE

Corsi

LE PARTICELLE E LE INTERAZIONI FONDAMENTALI NELLA FISICA MODERNA
Docente Roberto Covarelli
Programma

contenuti del corso comprendono un'introduzione alla fisica degli acceleratori (ruolo dell'interazione elettromagnetica, cavità acceleratrici e magneti curvanti, acceleratori lineari e anelli di accumulazione, energia e luminosità, evoluzione degli acceleratori e superconduttività, con particolare enfasi sul LHC al CERN e le applicazioni pratiche degli acceleratori) e dei rivelatori (interazione radiazione-materia, ionizzazione e assorbimento di luce, misure di energia, posizione, tempo, tracciatori e calorimetri, raccolta ed analisi dei dati, ricostruzione degli eventi e computing). Seguirà una rassegna sulle particelle fondamentali, partendo dal Modello Standard (particelle di materia, leptoni e quark, sapore, colore e leggi di conservazione, particelle mediatrici di forze, bosoni di gauge, interazione elettromagnetica, debole e forte), fino a giungere ai risultati più recenti sul bosone di Higgs, sulle ricerche di fisica oltre il Modello Standard e di unificazione della forza gravitazionale in esso, delineando il futuro della fisica delle particelle.

ELEMENTI DI RELATIVITÀ
Docente Marco Billò
Programma

Speciale. Si ripercorre in seguito il percorso che porto' Einstein dal principio di equivalenza forte alla formulazione di una teoria geometrica in cui il ruolo della gravita' viene assunto dalla metrica, cioe' dalla regola per calcolare le vere distanze in coordinate qualsiasi. In tal modo si arriva a formulare le leggi della fisica in modo valido in qualsiasi sistema di coordinate, cioè ad avere una teoria della Relatività Generale. Si discute anche in modo semplice, ma con esempi espliciti in due dimensioni, il significato matematico della metrica stessa e della sua curvatura. SI considera poi brevemente qualche aspetto attuale della teoria, quale le onde gravitazionali.

RELATIVITÀ, GALASSIE E I BUCHI NERI
Docente Prof. Alessandro Paggi
Programma

Il nostro Universo contiene centinaia di miliardi di galassie, e quasi tutte queste galassie (compresa la nostra Via Lattea) hanno, al proprio centro, un buco nero. Questi buchi neri non sono i "normali" buchi neri che derivano dal collasso delle stelle, ma sono buchi neri super massivi, con masse che vanno da milioni fino miliardi di volte la massa del nostro Sole. Questi buchi neri e le galassie che li ospitano sono impegnati da miliardi di anni in una sorta di "danza cosmica", interagendo ed influenzandosi a vicenda. Le tracce di questa danza si possono leggere nelle radiazioni che galassie e buchi neri emettono a diverse lunghezze d'onda, dalle onde radio fino ad i piu' energetici raggi gamma, ed ogni strumento astronomico contribuisce a risolvere una parte dei meccanismi che sono alla base di questi affascinanti fenomeni, dagli spettacolari getti radio lanciati dai buchi neri e che attraversano le galassie per centinaia di miglia di anni luce, fino ai buchi neri binari sull'orlo di una drammatica fusione. Gli effetti relativistici giocano un ruolo importante in questi fenomeni astronomici. In particolare, i getti lanciati dai nuclei galattici sono composti da particelle che viaggiano a velocità prossime a quelle della luce, e questo ne influenza le proprieta' osservative, ad esempio aumentandone le energie ed i flussi che noi osserviamo. Vicino al buco nero, invece, gli effetti gravitazionali del buco nero distorcono lo spazio-tempo circostante, influenzando e deformando gli spettri della radiazione emessa nelle vicinanze del nucleo galattico. Tutti questi fenomeni di relativita' generano degli effetti misurabili sulle radiazioni provenienti da queste sorgenti e che noi osserviamo con i telescopi terrestri e spaziali, e ci permettono di capirne meglio le proprieta' ed i vari meccanismi fisici che li' hanno luogo.

In questo corso verranno introdotte le nozioni elementari di spettro elettromagnetico ed osservabilità nelle varie lunghezze d'onda, sia da terra che tramite telescopi spaziali.

Verranno inoltre presentate le proprietà generali delle galassie del nostro Universo, ed in particolare delle galassie attive che ospitano buchi neri supermassicci. Infine, verranno illustrati i vari meccanismi di emissione dei nuclei galattici, come essi possano essere osservati e studiati a diverse lunghezze d'onda, e come i diversi effetti relativistici giochino un ruolo chiave nel loro funzionamento ed interpretazione.

INTRODUZIONE ALLA MECCANICA QUANTISTICA
Docente Mariaelena Boglione
Programma

Durante questo mini-corso verranno introdotti i principali concetti base della Meccanica Quantistica e delle idee che hanno portato alla formulazione di questa sorprendente (ma efficace!) descrizione del comportamento dei sistemi microscopici.

Parleremo di "stato" di un sistema fisico e di operatori. Vedremo come in questa teoria dovremo dare una interpretazione probabilistica dei possibili risultati delle misure, e vedremo insieme che cosa si intende per evoluzione temporale del sistema fisico (tramite l'equazione di Schroedinger).

Cercheremo di lavorare a livello semplice ma rigoroso, introducendo brevemente le tecniche matematiche necessarie allo studio della Meccanica Quantistica: numeri complessi, matrici, prodotti scalari sullo spazio degli stati. Ricorreremo anche ad alcuni esempi semplici, come le particelle polarizzate o l'oscillatore armonico.

I SISTEMI DI POSIZIONAMENTO SATELLITARE: MISURARE DOVE CI TROVIAMO, MISURARE IL TEMPO, FARE SCIENZA
Docente Elena Cantoni
Programma

Un esempio di come la fisica moderna entra nella vita quotidiana ci affianca tutti i giorni. Si tratta del massiccio utilizzo dei sistemi di posizionamento satellitare. Nati per permettere a veicoli dapprima militari e poi civili di stimare la loro posizione, su di essi ormai si appoggia anche tutta la gamma dei dispositivi elettronici di largo consumo, che utilizzano il calcolo della posizione dell'utente per fornirgli informazioni dedicate.

Il più famoso di questi sistemi è certamente il Global Positioning System, comunemente conosciuto con il suo acronimo GPS e il cui controllo è detenuto dagli Stati Uniti d'America. Ad esso, nel tempo, si sono affiancati altri sistemi, sia per il sempre crescente bisogno dei servizi satellitari a livello mondiale, sia perché anche altre nazioni desideravano avere il loro sistema di posizionamento, senza dover dipendere dagli americani. Altri sistemi satellitari sono il russo GLONASS, l'europeo Galileo e il cinese BEIDOU.

La possibilità di conoscere, tramite gli strumenti di ricezione satellitare, la posizione e il tempo con grande precisione ha importanti applicazioni nella ricerca scientifica, sia di base che applicata. Diviene possibile studiare ad esempio i movimenti della crosta terrestre, contribuire al calcolo dell'ora esatta a livello mondiale, misurare il comportamento delle particelle subatomiche. I risultati delle ricerche nei vari ambiti possono fornire una comprensione sempre maggiore dei fenomeni naturali, ma anche restituire importanti informazioni sul funzionamento della strumentazione stessa, sempre più complessa, che si traducono in un ulteriore progresso della produzione industriale.

Il corso verterà specialmente sull'utilizzo dei ricevitori satellitari nell'ambito delle attività di confronto e disseminazione di segnali di tempo di altissima precisione, e si svilupperà a partire dalla descrizione del ruolo, sia istituzionale che scientifico, che l'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica INRIM ha in tale attività.

*il corso della Prof. Elena Cantoni avrà durata di 4 ore, un seminario del Prof. Alessandro Nagar dalla durata di 2 ore sostituirà la terza lezione.

SEMINARIO: RELATIVITÀ GENERALE E ONDE GRAVITAZIONALI: DALLA TEORIA ALL'ESPERIMENTO
Docente Alessandro Nagar
Programma

In questa lezione racconterò i fondamenti concettuali della relatività generale, dal principio di equivalenza all'utilizzo della geometria non euclidea. Discuteremo alcune delle osservazioni sperimentali piu' importanti, passate e recenti, per concentrarci infine sulle onde gravitazionali emesse dalla fusione di due stelle di neutroni o buchi neri e sulla loro rivelazione utilizzando gli interferometri LIGO e Virgo.