L’attività di ricerca dell’area di Fisica delle Interazioni Fondamentali, che si svolge in fortissimo contatto con la sezione di Pisa dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), è finalizzata alla caratterizzazione sperimentale e fenomenologica delle forze tra le particelle elementari presenti in Natura.
Queste indagini si estendono tradizionalmente alle interazioni elettrodeboli e nucleari forti, e più recentemente anche allo studio sperimentale delle interazioni gravitazionali su larga scala. La fenomenologia di tali interazioni è in generale ben descritta dal Modello Standard delle Interazioni Fondamentali, che tuttavia è incompleto sia dal punto di vista teorico che sperimentale, non fornendo spiegazioni soddisfacenti per numerosi fenomeni, come la materia e l’energia oscura, le enormi diversità nelle masse delle particelle, la preponderanza della materia sull’anti-materia nell’Universo attuale. La ricerca sperimentale di fenomeni che possano aiutare a completare la descrizione del Modello Standard è uno dei punti focali delle attività dell’area, che si svolge in forte connessione con le attività dell’area teorica.
Le attività scientifiche del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa sono svolte soprattutto nell’ambito di collaborazioni internazionali, in molti casi impegnate in esperimenti presso centri di ricerca di fisica delle particelle elementari, fisica nucleare e onde gravitazionali.
Gli specifici argomenti di indagine sono altamente differenziati, spaziando in tutti i principali ambiti alla frontiera delle conoscenze nel settore, suddivisi in frontiera dell’energia, frontiera dell’intensità e frontiera cosmica. Possono essere categorizzati schematicamente come segue:
Ricerca agli acceleratori di particelle, con esperimenti focalizzati sulla verifica del Modello Standard, la determinazione dei suoi parametri liberi e la ricerca di nuovi fenomeni fisici:
- ricerca alla frontiera dell’energia, sia attraverso la produzione diretta di nuove particelle, sia in modo indiretto attraverso le misure di precisione (esperimenti ATLAS, CMS, TOTEM, MuonE al CERN);
- ricerca alla frontiera dell’intensità nei processi con cambiamento di “sapore” adronico, ai collisionatori adronici o leptonici (esperimenti LHCb al CERN, Belle II a KEK) e in reazioni a bersaglio fisso (esperimenti NA62 al CERN);
- ricerca alla frontiera dell’intensità nei processi con violazione della conservazione del sapore leptonico (esperimenti MEG-II al PSI, Mu2e a Fermilab), e la misura di precisione di proprietà statiche del muone (esperimento muon g-2 a Fermilab, progetto MuonE al CERN).
Maggiori informazioni: https://www.pi.infn.it/?page_id=28.
Ricerca basata sulla misura di radiazione cosmica in laboratori sotterranei, nell’alta atmosfera o nello spazio, focalizzata sulla ricerca di nuovi fenomeni astrofisici o legati a processi su scala cosmologica (link), svolta in collaborazione con l’area astrofisica:
- esperimenti su radiazione cosmica carica (CALET, MAGIC, AMS-02), radiazione elettromagnetica di alta energia, inclusi raggi gamma (CTA, Fermi), e studi polarimetrici nei raggi X (IXPE, e-XTP), neutrini di origine astrofisica (KM3NeT)
- misura delle proprietà della radiazione cosmica di fondo a microonde (LiteBIRD, LSPE);
- ricerca diretta di materia oscura (Darkside ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso) e di particelle esotiche di rilevanza cosmologica quali gli assioni (QUAX, STAX, AXIOMA);
- ricerca in fisica della gravitazione tramite la rivelazione di onde gravitazionali (Virgo a EGO, Einstein Telescope) e verifiche della relatività generale (GG, GINGER, MAGIA).
Molte di queste iniziative beneficiano di finanziamenti provenienti dall’INFN e da bandi competitivi a livello locale, nazionale ed europeo, e afferiscono a progetti anche interdisciplinari di interesse nazionale o internazionale.
Esistono inoltre numerose attività di ricerca e sviluppo trasversali, sinergiche in particolare con le aree sperimentali di struttura della materia e fisica medica, riguardanti lo sviluppo di tecniche di rivelazione innovative, di strumentazione per la selezione ed acquisizione dati adatta a condizioni estreme dal punto di vista ambientale e di prestazioni, di tecniche avanzate per l’analisi dati, nonché di strumenti focalizzati su applicazioni tecnologiche maggiori informazioni: https://www.pi.infn.it/?page_id=2445.
Tra le attività strategiche è anche inclusa la ricerca e lo sviluppo legata alla concezione e al progetto di nuove grandi infrastrutture quali acceleratori di particelle di elevata energia, o grandi interferometri gravitazionali, in discussione nella comunità scientifica internazionale. Le direzioni delle strategie internazionali per la fisica delle interazioni fondamentali forniranno la guida per gli sviluppi dell’attività dell’area, tenendo conto che molti degli esperimenti in corso hanno programmi ed impegni pluriennali.
Si prevede una crescita delle attività sinergiche tra vari esperimenti e delle collaborazioni interdisciplinari.