Physics - Fisica

ETTORE MAJORANA
ETTORE MAJORANA

A - Conoscenza e capacità di comprensione
OF 1) Partendo dalle basi sperimentali e dalle implicazioni teoriche della gravitazione, ci si concentrerà sulla rivelazione delle onde gravitazionali. Saranno affrontati due aspetti interconnessi, quello degli apparati sperimentali e quello dell’analisi dati.
OF 2) Gli studenti svilupperanno la preparazione per un’applicazione rigorosa delle nozioni acquisite, non solo sulle specifiche tematiche, ma anche più generale nel campo della fisica sperimentale delle interazioni fondamentali.
B – Capacità applicative
OF 3) Lo studente sarà in grado di interpretare correttamente le problematiche e gli avanzamenti sperimentali degli apparati sperimentali descritti.
OF 4) Lo studente sarà in grado di applicare tecniche/metodi di analisi dei dati
C - Autonomia di giudizio
OF 5) Grazie alla frequenza delle lezioni e alla regolare interazione durante le lezioni medesime, lo studente svilupperà un’adeguata autonomia di giudizio, in quanto avrà modo di interfacciarsi
costantemente con il docente ed analizzare criticamente le informazioni apprese.
D – Abilità nella comunicazione
OF 6) L’acquisizione di adeguate competenze e strumenti per la comunicazione sarà verificata sia durante le lezioni frontali che in occasione della prova finale, contribuendo allo sviluppo di chiare
doti comunicative da parte dello studente.
E - Capacità di apprendere
OF 7) Lo studente avrà la capacità di valutare e risolvere varie problematiche di analisi dei dati
OF 8) Lo studente sarà in grado di ideare e sviluppare un progetto sperimentale/teorico, partendo dall’acquisizione dei dati, passando per la loro analisi e traendo delle conclusioni con il relativo post-processing.

Risulta importante possedere una conoscenza adeguata degli argomenti trattati nei corsi di Fisica della laurea triennale. Sono ritenute utili le conoscenze di base sul calcolo delle Probabilità e Statistica, come anche l’algebra tensoriale.

Basi sperimentali della Gravitazione
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- Massa inerziale e massa gravitazionale, la teoria Newtoniana della gravitazione. Verifiche sperimentali. Isotropia e omogeneità dello spazio e del tempo. Principio di equivalenza in Relatività Generale. Esperimento di Roll, Krotkov e Dicke. Omogeneità del tempo. Invarianza per traslazione e red shift gravitazionale. Esperimento di Pound e Rebka. Esperimento di Vessot. Invarianza di Lorentz.
- Implicazioni teoriche e verifiche sperimentali della costanza nel tempo di G.
Verifiche classiche della Relatività Generale. Precessione di Mercurio, deflessione della luce, ritardo eco radar.
Formalismo “Parametrized Post-Newtonian, PPN”. Valori dei parametri PPN in Relatività Generale e loro significato fisico. Test sui valori dei parametri PPN basati sulle osservazioni nel sistema solare nei sistemi binari: deviazione della luce, ritardo dell'eco radar, interferometria su grande base e precessione del perielio di Mercurio.
Opzionale: Limiti sperimentali relativi alla validità del principio di equivalenza forte e metodi osservativi basati sul Lunar Laser Ranging.
- L’ effetto gravito-magnetico e le basi sperimentali per la sua rivelazione.

Onde Gravitazionali e loro effetto sulla materia
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- Onde gravitazionali come soluzioni delle equazioni d’Einstein. Effetto su masse di prova. Intensità e luminosità della sorgente. Generazione di onde gravitazionali: legame con il momento di quadrupolo di massa, quadrupolo oscillante e quadrupolo rotante. Riduzione del periodo orbitale per emissione di onde gravitazionali: il caso emblematico del sistema PSR1913+16 ed i nuovi sistemi doppi.
- Cenni sulle sorgenti astrofisiche di onde gravitazionali.

Rivelatori per onde gravitazionali.
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- Rumore negli strumenti di misura. Processi stocastici. Media, varianza, correlazione, autocorrelazione. Segnali (continui e discreti) e rumore. Elementi di probabilità e statistica. Processo di Poisson. Sistemi (trasformazione dei dati). Trasformata di Laplace. Trasformata di Fourier. Spettro di potenza. Teorema di Fluttuazione-Dissipazione. Rumore termico nei circuiti. Rumore termico in un pendolo. Abbattimento del rumore sismico e del rumore termico: sistemi di sospensione.

Rivelatori ottici a larga banda.
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Interferometro di Michelson e Cavità Fabry-Perot. Ricircolo della luce. Sistemi opto- meccanici con retroazione: Tecnica di Pound-Drever-Hall per il controllo delle cavità Fabry-Perot. Riduzione del rumore shot e di pressione di radiazione. Power e Signal Recycling. Il rumore Newtoniano. Il limite quantistico dei rivelatori gravitazionali e le strategie d’aggiramento di tale limite.

Analisi dei dati: Teoria ed Applicazioni
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- Stima spettrale (periodogramma, stime auto-regressive, spettrogrammi). Il rapporto segnale rumore e il problema del filtraggio lineare dei dati. Filtraggio (filtro di Wiener, filtro adattato, filtri triangolari). Teoria della rivelazione. Procedure in rumore non-stazionario. Analisi di immagini. Estrazione di segnali gravitazionali e stime dei parametri. Sorgenti di onde gravitazionali: coalescenza di sistemi binari, stelle di neutroni rotanti, collasso stellare; fondo astrofisico e fondo cosmologico di onde gravitazionali.
- Analisi dei dati open raccolti dai rivelatori interferometrici LIGO-Virgo (https://www.gw openscience.org/).

Argomenti opzionali
Rivelatori spaziali e pulsar timing.

• L. Landau, E.Lifshitz, Teoria dei campi, Editori Riuniti
• Ciufoli, J. A. Wheeler : Gravitation and Inertia, Princeton University Press, 1995
• A. Papoulis, S. Unnikrishna Pillai , Probability, Random Variables and Stochastic Processes, McGraw-Hill, 2002
• H. C. Ohanian, R. Ruffini Gravitazione e spazio-tempo, Zanichelli, 1997
• Clifford M. Will, Theory and Experiment in Gravitational Physics, Cambridge University Press
• P. Saulson, Fundamentals of Interferometric Detection of Gravitational waves, World Scientific 1994
• C.Will, Was Einstein Right? Testing Relativity at the Centenary; gr-qc/0504086
• C.M.Will, The Confrontation between General Relativity and Experiment; gr-qc/0103036
• E.G. Adelberger, B.R. Heckel, and A.E. Nelson: Tests of the Gravitational Inverse- Square law; ArXiv:hep-ph/0307284
• G.Pizzella, Fisica Sperimentale del Campo Gravitazionale, Nuova Italia, 1993
• A.M.Nobili, Precise gravitation measurements on Earth and in space: Tests of the Equivalence Principle - http://eotvos.dm.unipi.it/nobili/murst/varenna2000/nobili2.pdf
• Fulvio Ricci’s notes: https://sites.google.com/a/uniroma1.it/fulvio-ricci/didattica/gravitazione-sperimentale
• Sergio Frasca’s notes: https://drive.google.com/drive/folders/1-GfrpXDVYO5wj0MjcQoJKdma8SXrt_XN

non obbligatoria ma altamente raccomandata

L'esame consiste in una prova orale sui temi illustrati nel corso, partendo da una presentazione dello studente relativa all’approfondimento di uno di questi.