Physics - Fisica

IRENE DI PALMA
IRENE DI PALMA

A - Conoscenza e capacità di comprensione
OF 1) Conoscere le caratteristiche dei raggi cosmici
OF 2) Conoscere la natura e le proprietà delle particelle elementari
OF 3) Conoscere la natura e le proprietà delle interazioni negli acceleratori
OF 4) Conoscere l'equazione del trasporto dei raggi cosmici primari e secondari nell'atmosfera,
e lo sviluppo di sciami nell'atmosfera.
OF 5) Comprendere lo spettro di energia e la composizione di massa dei raggi cosmici primari
OF 6) Comprendere il problema dell'origine di raggi cosmici di altissima energia
OF 7) Conoscere l'accelerazione di Fermi al primo e secondo ordine
B – Capacità applicative
OF 8) Saper dedurre le problematiche di base della fisica delle astroparticelle utilizzando le
tecniche osservative
OF 9) Essere in grado di applicare la propagazione di particelle di altissima energia come
protoni, fotoni, nuclei e neutrini
OF 10) Essere in grado di applicare il meccanismo di accelerazione di Fermi al primo e al
secondo ordine
OF 11) Saper dedurre i limiti delle tecniche di osservazione dei diversi esperimenti presi in
considerazione
C - Autonomia di giudizio
OF 12) Essere in grado di valutare la natura delle particelle interagenti in un determinato processo
OF 13) Essere in grado di valutare le metodologie di osservazione per gli esperimenti presentati
OF 14) Essere in grado di valutare ogni aspetto del sistema in studio
OF 15) Essere in grado di suggerire le tecniche di indagine strumentale più adeguate al tipo di
sistema
D – Abilità nella comunicazione
OF 16) Saper comunicare la natura dei processi fisici in atto al personale privo di formazione
scientifica
OF 17) Saper descrivere le tecniche fisiche da adottare per una completa indagine del sistema in
studio
E - Capacità di apprendere
OF 18) Avere la capacità di consultare la letteratura scientifica e i metodi fisici di carattere
tecnico
OF 19) Avere la capacità di valutare descrizioni di carattere tecnico per specifici processi fisici

Il corso di Fisica delle Astroparticelle si propone di guidare gli studenti alla scoperta dei fenomeni fondamentali che riguardano la fisica dei raggi cosmici e delle particelle elementari ad alta energia, con un approccio che integra teoria, modellizzazione e osservazione sperimentale.
In una prima fase, gli studenti acquisiranno familiarità con la terminologia, le grandezze e i concetti fondamentali del settore. Saranno in grado di riconoscere e ricordare le principali caratteristiche dei raggi cosmici, le proprietà delle particelle elementari e i meccanismi di interazione nell’atmosfera e negli acceleratori.
Successivamente, il corso porterà a comprendere in modo approfondito i modelli fisici che descrivono la propagazione e l’origine dei raggi cosmici, con particolare attenzione al problema dell’ultra-high-energy cosmic rays e ai meccanismi di accelerazione di Fermi.
Gli studenti saranno poi chiamati ad applicare queste conoscenze per analizzare la propagazione di particelle di altissima energia e utilizzare tecniche osservative specifiche per raccogliere dati utili allo studio dei fenomeni astroparticellari.
Attraverso casi studio e analisi di dati reali, sarà possibile sviluppare la capacità di analizzare scenari complessi, distinguendo tra le diverse componenti di un processo fisico e riconoscendo i limiti e le potenzialità delle varie tecniche sperimentali.
Il corso promuove anche l’autonomia di giudizio, stimolando gli studenti a valutare criticamente i risultati sperimentali, la validità dei modelli adottati e l’efficacia delle tecniche strumentali utilizzate nei principali esperimenti di astroparticelle.
Infine, grazie a un approccio aperto e interdisciplinare, gli studenti saranno messi in condizione di progettare semplici esperimenti, proporre nuove soluzioni osservative, formulare ipotesi interpretative e integrare competenze teoriche e sperimentali per contribuire attivamente alla ricerca nel campo della fisica delle astroparticelle.

E' richiesta una conoscenza non superficiale della fisica delle interazioni fondamentali, della fisica
delle particelle elementari, dei più comuni rivelatori per particelle.

Generalità sui raggi cosmici. Complementarità fra studio dei Raggi Cosmici e studio delle
particelle elementari e delle loro interazioni agli acceleratori. Flusso differenziale, spettro e
composizione dei Raggi Cosmici primari. Raggi Cosmici primari e secondari.
Spettro di energia e composizione in massa.
Equazioni di trasporto dei raggi cosmici primari e secondari nell'atmosfera. Sviluppo di sciami
nell'atmosfera.
Osservazioni e implicazioni dei raggi cosmici di altissima energia
Propagazione di fotoni, nuclei e neutrini di altissima energia: Il cut-off di Greisen-Zatsepin-
Kuzmin.
Il problema dell'origine dei raggi cosmici di altissima energia
Il meccanismo di accelerazione: accelerazione di Fermi al primo e secondo ordine. Cenni sulla
morfologia della Galassia
Metodi di osservazione/studio dei flussi di Raggi Cosmici primari nello spazio, nell'atmosfera,
sulla Terra per energie fino a 1022 eV : rivelazione di protoni, fotoni, nuclei pesanti, muoni,
neutrini, sciami estesi.
Problemi aperti in fisica delle particelle e Raggi Cosmici: dark matter, antimateria, proprietà dei
neutrini (AMS, PAMELA, FERMI, DAMA, CUORE, IceCube, ANTARES, ...)
Astronomia con fotoni di alta energia: tecniche sperimentali e risultati (HESS, MAGIC,
VERITAS, ...)
Astronomia con neutrini di altissima energia (IceCube, ANTARES, KM3NeT, ...)
Astronomia con Raggi Cosmici con E1017 eV: tecniche sperimentali e risultati: AGASA, HiReS,
Telescope Array, L'Osservatorio Pierre Auger, TUNKA.

T. K. Gaisser, R. Engel, E. Resconi, Cosmic Rays and Particle Physics, II edizione, Cambridge
Univ. Press, (2016).
M. Spurio, Particles and Astrophysics, astronomy and Astrophysics Library, Spinger, 2014.
Multiple Messengers and Challenges in Astroparticle Physics, Aloisio R., Coccia E., Vissani F.,
Capone A, Lipari P., et al, Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-65425-6_4,
(2018).
A. De Angelis and Mario Pimenta, Introduction to particle and astroparticle physics, Questions
to the Universe, Springer, 2015

54 ore frontali totali che includono ore dedicare a calcoli ed esercizi e altre dedicate a dicussione ed
approfondimenti.

54 ore frontali totali che includono ore dedicare a calcoli ed esercizi e altre dedicate a dicussione ed
approfondimenti.

L'esame prevede la discussione di un argomento, scelto in accordo con l'insegnante, fra quelli
proposti durante le lezioni tramite la lettura di un articolo scientifico. Tale argomento verrà approfondito in modo particolare dallo/a studente/studentessa. Non è richiesta una relazione scritta. In seguito il docente, con
opportune domande riguardanti gli argomenti in programma, potrà verificare la preparazione
complessiva del/della candidato/candidata.
Per superare l'esame lo studente deve essere in grado di presentare un argomento o ripetere un
calcolo discusso durante il corso e di applicare i metodi appresi ad esempi e situazioni simili a
quelle già discusse.
Nella valutazione si terrà conto di:
- correttezza dei concetti esposti;
- chiarezza e rigore espositivo;
- capacità di sviluppo analitico della teoria;
- attitudine nel problem solving (metodo e risultati)
Il soddisfacimento degli aspetti sopraindicati secondo una conoscenza di base è
condizione necessaria per il raggiungimento di una valutazione pari a 18/30. Per conseguire un
punteggio pari a 30/30 e lode, lo studente deve invece dimostrare di aver acquisito una
conoscenza eccellente di tutti gli argomenti trattati durante il corso, essendo in grado di
raccordarli in modo logico e coerente.

Quali sono le principali componenti dei raggi cosmici primari?
Descrivi il meccanismo di accelerazione di Fermi del primo ordine.
Qual è il significato fisico dello spettro di energia dei raggi cosmici?
Confronta le tecniche di rilevazione Cherenkov e scintillazione in base alla loro sensibilità e utilizzo.
Valuta la validità di un modello di propagazione alla luce dei dati sperimentali raccolti da Pierre Auger.