LAUREA MAGISTRALE in FISICA CURRICULUM TEORICO GENERALE

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1 LAUREA MAGISTRALE in FISICA CURRICULUM TEORICO GENERALE 24 maggio 2017

2 I anno Obbligatori Fisica Teorica 1 (prof. Bastianelli) Mecc. Statistica 1 (prof. Ercolessi) Teoria dei Campi 1 (prof. Soldati) 3 corsi da Lista 1 Fisica Teorica 2 (prof. Bastianelli) Mecc. Statistica 2 (prof. Ravanini) Teoria dei Campi 2 (prof. Soldati) Storia della Fisica (prof. Levrini)

3 A scelta di Teorica Lista 4: 2 corsi a scelta Percorso Teoria dei Campi e Fisica delle Particelle Campi e Particelle (prof.ri Kamenchtchik/Cicoli) Complementi di Fisica Teorica (prof.ri Soldati/Balbinot) Percorso Teoria della Relatività Relatività 1 (prof. Balbinot) Relatività 2 (prof. Balbinot)) Complementi di Fisica Teorica (prof.ri Balbinot/Soldati)

4 A scelta di Teorica Percorso Meccanica Statistica e Molti Corpi Teoria dei Sistemi a Molti Corpi (prof. Ercolessi/Degli Esposti) Percorso Approfondimenti Matematica Metodi Mat. Avanzati della Fisica (prof. Kamenchtchik) Teoria dei Gruppi (prof. Zucchini)

5 A scelta di altri ambiti Lista 2: 1 corso tra tutti insegnamenti dei settori FIS/03 e FIS/04 della LM in Fisica (vedi curr. FNS e FM) In particolare: Fisica Nucleare (prof. Finelli) Complementi di Struttura della Materia (prof. Ferrari) Quantum Theory of Matter (prof.ri Ferrari/Degli Esposti)

6 A scelta di altri ambiti Lista 3: 1 corso FIS/05 e FIS/06 della LM in Fisica o della LM in Astrofisica e Cosmologia In particolare: Cosmologia (prof. Moscardini) Dinamica Stellare (prof. Ciotti)

7 Teorico Generale: II anno Libera Scelta: 12 CFU - Qualunque corso LM Fisica, inclusi gli opzionali teorici non scelti in Lista (possono essere anticipati al I anno) Attività propedeutica Prova Finale: 3 CFU (ricerca bibliografica, uso pacchetti software, ) Prova Finale: 45 CFU - Tesi di Laurea (con contenuti originali)

8 Tesi di Laurea Relatore: docente/ricercatore del DIFA prof a contratto del CdS Correlatore: dottorando/post-doc o ricercatore di ente esterno (INFN e CNR) o docente di altra università (italiana/estera) Peso: 45 CFU su un totale di 120 CFU Durata: da 6 a 9 mesi

9 Settore TEORICO DIFA: R. Balbinot F. Bastianelli R. Casadio M. Cicoli E. Ercolessi L. Ferrari P. Finelli A. Kamenchtchik F. Ravanini R. Soldati R. Zucchini Enti Ricerca: Davide Fioravanti (INFN) Alessandro Tronconi (INFN) Gian Paolo Vacca (INFN) C. Degli Esposti Boschi (CNR) Assegnisti/Post-doc Dottorandi

10 100 ISCRITTI ISCRITTI LM LAUREATI BOLOGNA ANNO numero voto laurea vuole proseguire LAUREATI TEORICO ANNO numero lavora dottorato (4est) (3est) (1si ) TEORICO 0 a.a. 2013/14 a.a. 2014/15 a.a. 2015/16 a.a. 2016/17

11 Sbocchi Occupazionali Ricerca Docenza Modellistica applicata (economia, biologia, sc. sociali, ) Indagini Statistiche - Big data Metodi Numerici e Informatica Università italiane o estere Enti di Ricerca Aziende pubbliche Aziende private Coordinamento Progetti

12 La ricerca in Fisica Teorica a Bologna Personale DIFA Strutturato: 1) R. Balbinot 2) F. Bastianelli 3) R. Casadio 4) M. Cicoli 5) E. Ercolessi 6) L. Ferraris 7) P. Finelli 8) A. Kamenchtchik 9) F. Ravanini 10)R. Soldati 11)R. Zucchini Personale INFN Strutturato: 1) D. Fioravanti 2) A. Tronconi 3) G.P. Vacca Personale INAF Strutturato: 1) F. Finelli 2) A. Gruppuso Personale CNR Strutturato: 1) C. Degli Esposti Boschi Pagina web:

13 Particelle, Stringhe e Campi Bastianelli, Cicoli, Chupke, Corradini, Diaz, Fioravanti, Pedro, Zucchini 4 Forze fondamentali in Natura: em, debole, forte, gravitazionale Ognuna necessita una descrizione quantistica (piccole distanze) e relativistica (alte energie) Le 3 interazioni non-gravitazionali descritte dal Modello Standard MA il Modello Standard non contiene la gravità Gravità descritta a livello relativistico dalla Relatività Generale MA manca una descrizione quantistica della gravità! Buchi neri Big Bang

14 Particelle, Stringhe e Campi Bastianelli, Cicoli, Chupke, Corradini, Diaz, Fioravanti, Pedro, Zucchini Teoria delle Stringhe: l idea Sostituire particelle puntiformi con oggetti unidimensionali!! 1) TUTTI i tipi di particelle sono semplicemente diversi modi di oscillazione della stessa stringa 2) Unificazione di materia e forze!! 3) Contiene la gravità quantistica! 4) Esiste solo un parametro da cui si deriva tutto! 5) Contiene le teorie già note! 6) Consistente in 9+1 dimensioni

15 Particelle, Stringhe e Campi Bastianelli, Cicoli, Chupke, Corradini, Diaz, Fioravanti, Pedro, Zucchini Soluzione Nostro Universo: 10D = 4D grandi + 6D estremamente piccole d < m Importantissimo predire la grandezza di tutte le dimensioni!

16 Particelle, Stringhe e Campi Bastianelli, Cicoli, Chupke, Corradini, Diaz, Fioravanti, Pedro, Zucchini D-Brane La teoria delle Stringhe è più ampia di quanto si credesse 1) Normalmente, i punti finali di stringhe aperte si muovono liberamente alla velocià della luce. 2) Possono anche esistere stringhe i cui punti finali sono ancorati su superfici. Tali superfici sono interpretate come grandi oggetti massivi, chiamati D-brane, nello spaziotempo

17 Particelle, Stringhe e Campi Bastianelli, Cicoli, Chupke, Corradini, Diaz, Fioravanti, Pedro, Zucchini Linee di ricerca Implicazioni fenomenologiche e cosmologiche delle superstringhe per la fisica in 4 dimensioni (compattificazioni su spazi di Calabi-Yau, etc.) [Michele Cicoli] appartenente alla IS-INFN: ST&FI (String Theory and Fundamental Interaction) Collaboratori locali: Dr. Francisco Pedro, Dr. David Ciupke, Dr. Victor Diaz, Dr. Veronica Guidetti Teorie di gauge superiori per la descrizione lagrangiana delle M-brane e teorie topologiche [Roberto Zucchini] appartenente alla IS-INFN: GAST (Gauge and String Theory) Descrizione in I quantizzazione (string inspired) di particelle relativistiche, anomalie e path integrals [Fiorenzo Bastianelli] appartenente alla IS-INFN: GAST (Gauge and String Theory)

18 C'è solo una roccia che può sopravvivere a ogni tempesta e alla quale ci possiamo aggrappare strettamente: l'idea che le leggi fondamentali della Natura siano espresse da una teoria matematicamente bella Davide Fioravanti (INFN-GAST): Dualità Gauge/Stringa (AdS/ CFT), Integrabilità (Simmetrie) PhD: Bonini, Fachechi (LECCE) Post-doc: Bourgine Collaboratori:Rossi (CS), Tateo (TO), Gromov (King s). Ercolessi, Ravanini, Ortolani Perché un elettrone dovrebbe preferire un'equazione bella a una brutta? Perché l'universo dovrebbe danzare sulla musica di Dirac? Con il suo stile di scoperta, Dirac ha formulato queste domande in maniera più nitida di chiunque altro. Ancor più di Newton e Einstein, egli usò il criterio di bellezza come un modo per trovare la verità. (Freeman Dyson).

19 Stringhe/Campi di Gauge Vita di confine: fisica delle particelle vs. fisica della materia >K. Wilson et al.: Statistical Field Theory. Unita delle teorie fisiche nelle Teorie dei CAMPI quantistici E l importanza di essere Sperimentale Fisica per comprendere meglio il Modello Standard, ma anche per andare oltre (LHC ma anche ripercussioni cosmologiche): nuove particelle, SUSY, Nuova visione: Dualismo gauge/stringhe (AdS/CFT). Sanita della teoria della corda; corde (superfici) statistiche per la fisica della materia. Dualità accoppiamento debole/forte: fisica non-perturbativa. INTEGRABILITA (infinite simmetrie) ->Trialita.

20 Teorie di Gauge SUSY Onnipresenza del TBA (Thermodynamic Bethe Ansatz): termodinamica di una gas di scattering (matrice S) 2D. N=4 Super Gauge Theory: Energie/Dimensioni anomale via urti in 2D (TBA). Ampiezze di scattering 4D da quelle 2D in N=4 Super Gauge Theory: TBA a forte accoppiamento di Gauge. Elegante struttura matematica (del TBA): SIMMETRIE!! Calcoli analitici, ma soluzioni numeriche! NUOVO FILONE: Super QCD (Seiberg-Witten N=2, ma anche N=1) poiche di nuovo INTEGRABILITA CLASSICA e QUANTISTICA (anche TBA!!). NUOVA FISICA (non-perturbativa, ad es. istantoni) oltre il Modello Standard delle particelle elementari. Ripensare i Fondamenti: ad es. cosa vuol dire Quantizzare? Curva di SW: y^2-p(x)=0. Analogie colla Fisica della Materia: condensati, monopoli, ecc..

21 QUANTUM (MANY BODY) SYSTEMS DIFA: CNR: A BOLOGNA E. Ercolessi, F. Ravanini L. Ferrari (F. Ortolani, in pensione) +Post-doc e dottorandi C. Degli Esposti Boschi COLLABORAZIONI Giuseppe Marmo (Univ. Napoli) Saverio Pascazio e Paolo Facchi (Univ. Bari) Marcello Dalmonte (ICTP Trieste) Davide Vodola (Swansea Univ., UK) Tommaso Roschilde e Piero Naldesi (ENS Lyon, FR) Guido Pupillo (Strasbourg, FR)

22 1. Meccanica quantistica: formulazione geometrica e indicatori di correlazioni Fenomeni (fase di Berry, anioni, isolanti topologici, sistemi di spin, quantum information, ) in cui: - la natura quantistica del sistema è dominante; - le proprietà non dipendono dalla dinamica, ma dalle proprietà topologiche/geometriche della varietà che descrive i gradi di libertà; - le correlazioni quantistiche (entanglement) dettano le proprietà fisiche del sistema

23 2. Sistemi quantistici a molte particelle fortemente interagenti & in bassa dimensionalità - Effetti quantistici a scala macroscopica e transizioni a fasi esotiche della materia BEC, Superconduttori, Isolanti Topologici, Liquidi di Spin, (Nobel 2016) - Quantum simulators modelli su reticolo che simulano alcune proprietà interessanti, di solito non perturbative, di teorie di campi (sia di materia che di gauge)

24 Conoscenze richieste e tecniche d indagine Si usa molta matematica (Geometria Differenziale) Si integrano approcci di: Meccanica Statistica Quantistica Teoria Quantistica dei Campi Teoria di Molti Corpi Si possono usare sia tecniche analitiche (soprattutto di sistemi integrabili e approcci non perturbativi) sia metodi di simulazione numerica (Monte Carlo, DMRG, Tensor Networks) TESI 6-8 mesi tra studio della letteratura e ricerca originale su un argomento che impegna il gruppo al momento a Bologna o in una delle sedi con cui si collabora (Italia o estero)

25 Cosmologia quantistica, inflazione, CMBR, DE e DM Ashoorioon, Casadio, F. Finelli (INFN-InDark), Gruppuso, Kamenchtchik, Tronconi, Vacca (INFN-FLAG) Cosmologia standard: Inflazione + LCDM L'inflazione risolve molti dei problemi del modello di Big Bang standard e predice lo spettro invariante di scala delle perturbazioni di densità da cui parte il modello LCDM. Le anisotropie della Radiazione Cosmica di Fondo (CMBR) misurate da Planck rappresentano un segnale unico per studiare la cosmologia e la fisica delle particelle: Problemi aperti: origine del cosmo, inflatone, Materia Oscura, Energia Oscura

26 Cosmologia quantistica, inflazione, CMBR, DE e DM Ashoorioon, Casadio, F. Finelli (INFN-InDark), Gruppuso, Kamenchtchik, Tronconi, Vacca (INFN-FLAG) Collaborazioni esterne: 1) A. Starobinsky (Istituto Landau, Mosca, Russia) 2) A. Barvinsky (Istituto Lebedev, Mosca, Russia) 3) O. Teryaev (JINR, Dubna, Russia) 4) S. Vernov (Univ. Lomosov, Mosca, Russia) 5) C. Kiefer (Colonia, Germania) 6) C. Steinwachs (Univ. Friburgo, Germania) 7) D. Polarski (Univ. Montpellier, Francia) 8) G. Marozzi (CBPF, Rio de Janiero, Bra) Pagina web: Tesi: 1) metodi analitici e numerici 2) relatività generale e teorie di campo quantistiche 3) durata 6-8 mesi

27 Collasso gravitazionale e formazione di buchi neri (quantistici) Casadio, Giusti (INFN-FLAG) Collasso quantistico: formazione di orizzonti da fluidi/particelle Horizon Quantum Mechanics (~ vincolo quantistico per sorgenti sferiche) 1) Modelli (quantistici) di buchi neri statici: confinamento, geometria effettiva, termodinamica e radiazione di Hawking 2) Dinamica quantistica in presenza di orizzonti: collasso ed evoluzione temporale di buchi neri 3) Principi di Indeterminazione Generalizzati e fenomenologia

28 Collasso gravitazionale e formazione di buchi neri (quantistici) Casadio, Giusti (INFN-FLAG) Collaborazioni esterne: 1) X. Calmet (Sussex Univ., Brighton, UK) 2) R. da Rocha (ABC Federal, Brasile) 3) G. Dvali, A. Giugno (LMU, Monaco, Germania) 4) O. Micu (ISS, Bucarest, Romania) 5) J. Mureika (Loyola Marymount Univ., Los Angeles, USA) 6) P. Nicolini, L. Rezzolla (Göthe Univ., Francoforte, Germania) Pagina web: Tesi: 1) metodi (principalmente) analitici e numerici 2) relatività generale e teorie di campo quantistiche 3) durata 6-8 mesi

29 Teoria Quantistica di Campo per interazioni fondamentali ed effettive Safari, Vacca Attivita di ricerca - Costruzione e analisi perturbativa e non perturbativa di varie QFT. - Teorie complete all ultravioletto e teorie effettive. Asymptotic safety. - Metodi generali del Gruppo di Rinormalizzazione (perturbativi e non perturbativi a la Wilson) - Teorie critiche e CFT in d>2 - Calcolo di ampiezze di scattering. - QCD nel limite di Regge Metodi preferibilmente analitici. Possibilita di fare tesi su questi argomenti: durata tipica 6-9 mesi Collaborazioni estere: Pagina web: Germania: Jena, Hamburg Grecia: Tessalonicco Inghilterra: Sussex, Southtempton Spagna: Madrid

30 Ricerca e proposte di tesi Fisica Nucleare P. Finelli (INFN-Manybody) Studio dei fenomeni di trasmutazione nucleare (radiazioni, fissione e fusione) sia da un punto di vista teorico che sperimentale/applicativo/ storico, con particolare riferimento alle applicazioni energetiche Pagina web: Studio dello scattering elastico di protoni su nucleo a livello microscopico (Giusti, Pavia Univ.) Studio della struttura di stelle di neutroni (Sedrakian, Frankfurt Univ.) Evoluzione temporale di modelli di campo medio (Stevenson, Univ. Surrey) Studio della densita dei livelli energetici nucleari (Ventura, ex ENEA)