Fisica teorica
I membri del Dipartimento che fanno capo al gruppo di discipline teoriche si occupano di argomenti di ricerca che sono al centro di alcune problematiche fondamentali della fisica moderna. I settori coperti includono la meccanica quantica, la relatività e la cosmologia, l'elettrodinamica e le teorie di gauge, la teoria delle stringhe, la fenomenologia delle particelle elementari, la fisica nucleare e la struttura della materia.
Il settore della fisica delle alte energie esplica parte della propria attività in ricerche volte a sviluppare una teoria quantistica che incorpori la gravità e che sia applicabile a piccole scale dove la teoria dei campi convenzionale non è ritenuta piu' valida. Oggi è infatti convinzione diffusa che lo schema teorico appropriato per una descrizione della gravità quantistica sia formato da una teoria di oggetti estesi a forma di "stringa". Quest'area di ricerca è in rapido progresso ed è fertile sorgente di problemi di frontiera. Un approccio più tradizionale alla gravitazione è quello di considerare la teoria quantistica dei campi in spazi-tempo curvi, utile per determinare le prime correzioni quantistiche alla relatività generale. Uno dei risultati più interessanti di tale teoria è la scoperta dell'evaporazione dei buchi neri, che pone quesiti fondamentali per la costruzione di una teoria autoconsistente di gravità quantistica. Altri studi interessanti in teoria dei campi sono rivolti alle teorie di gauge. Attente e sofisticate analisi a livello perturbativo sono condotte sia sull'elettrodinamica (teoria di gauge abeliana) sia sulle teorie di gauge non abeliane, mentre dalla cromodinamica quantistica si traggono conseguenze fenomenologiche che possono essere paragonate agli esperimenti. La fisica nucleare delle basse energie studia modelli di nuclei complessi facendo uso delle vaste potenzialità offerte dai moderni mezzi di calcolo elettronico.
La fisica della materia condensata cerca una spiegazione semplice ed unificante dei complicati fenomeni osservati nei liquidi e nei solidi. Per queste ricerche, e per quelle nella fisica nucleare, la teoria dei multicorpi fornisce un potente metodo di indagine che riguarda situazioni in cui è presente un gran numero di particelle che si muovono a basse velocità . In particolare lo studio di sistemi spin-elettrone può essere rilevante per la comprensione del meccanismo della superconduttività ad alta temperatura. Di carattere interdisciplinare sono le ricerche svolte sull'effetto Hall intero.
Importanti questioni di principio che attingono ai fondamenti, sia della meccanica quantica sia della relatività ristretta e generale, sono oggetto di indagine all'interno del gruppo teorico.
E' presente infine una attività di ricerca mirata ad analizzare e ad approfondire le proprietà matematiche di teorie fisiche e modelli esistenti con lo scopo di sviluppare strutture utili alla costruzione di teorie e modelli nuovi.
Il settore della fisica delle alte energie esplica parte della propria attività in ricerche volte a sviluppare una teoria quantistica che incorpori la gravità e che sia applicabile a piccole scale dove la teoria dei campi convenzionale non è ritenuta piu' valida. Oggi è infatti convinzione diffusa che lo schema teorico appropriato per una descrizione della gravità quantistica sia formato da una teoria di oggetti estesi a forma di "stringa". Quest'area di ricerca è in rapido progresso ed è fertile sorgente di problemi di frontiera. Un approccio più tradizionale alla gravitazione è quello di considerare la teoria quantistica dei campi in spazi-tempo curvi, utile per determinare le prime correzioni quantistiche alla relatività generale. Uno dei risultati più interessanti di tale teoria è la scoperta dell'evaporazione dei buchi neri, che pone quesiti fondamentali per la costruzione di una teoria autoconsistente di gravità quantistica. Altri studi interessanti in teoria dei campi sono rivolti alle teorie di gauge. Attente e sofisticate analisi a livello perturbativo sono condotte sia sull'elettrodinamica (teoria di gauge abeliana) sia sulle teorie di gauge non abeliane, mentre dalla cromodinamica quantistica si traggono conseguenze fenomenologiche che possono essere paragonate agli esperimenti. La fisica nucleare delle basse energie studia modelli di nuclei complessi facendo uso delle vaste potenzialità offerte dai moderni mezzi di calcolo elettronico.
La fisica della materia condensata cerca una spiegazione semplice ed unificante dei complicati fenomeni osservati nei liquidi e nei solidi. Per queste ricerche, e per quelle nella fisica nucleare, la teoria dei multicorpi fornisce un potente metodo di indagine che riguarda situazioni in cui è presente un gran numero di particelle che si muovono a basse velocità . In particolare lo studio di sistemi spin-elettrone può essere rilevante per la comprensione del meccanismo della superconduttività ad alta temperatura. Di carattere interdisciplinare sono le ricerche svolte sull'effetto Hall intero.
Importanti questioni di principio che attingono ai fondamenti, sia della meccanica quantica sia della relatività ristretta e generale, sono oggetto di indagine all'interno del gruppo teorico.
E' presente infine una attività di ricerca mirata ad analizzare e ad approfondire le proprietà matematiche di teorie fisiche e modelli esistenti con lo scopo di sviluppare strutture utili alla costruzione di teorie e modelli nuovi.
3.1 Teoria delle stringhe e teoria delle membrane
Personale dell'Università: F. Bastianelli, R. Zucchini
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi: O. Corradini, A. Zirotti
Si sono analizzati aspetti geometrici e topologici globali di teorie di campo classiche e quantistiche su varietà generali. In particolare, viene sviluppata la teoria dei caratteri di Cheeger-Simons relativi, viene studiata la struttura coomologica del modello sigma di Poisson su superfici di Riemann generali, viene calcolata la funzione di partizione invariante per dualità della elettrodinamica su una quadrivarietà riemanniana con inserzioni di linee di Wilson. Si è altresì sviluppato il formalismo linea di mondo per descrivere la propagazione di particelle con spin 0 ed 1/2 accoppiate alla gravità . La semplicità del formalismo permette di calcolare correzioni quantistiche a vari processi gravitazionali di cui un esempio è la conversione gravitone-fotone dovuta a campi magnetici costanti di fondo.
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi: O. Corradini, A. Zirotti
Si sono analizzati aspetti geometrici e topologici globali di teorie di campo classiche e quantistiche su varietà generali. In particolare, viene sviluppata la teoria dei caratteri di Cheeger-Simons relativi, viene studiata la struttura coomologica del modello sigma di Poisson su superfici di Riemann generali, viene calcolata la funzione di partizione invariante per dualità della elettrodinamica su una quadrivarietà riemanniana con inserzioni di linee di Wilson. Si è altresì sviluppato il formalismo linea di mondo per descrivere la propagazione di particelle con spin 0 ed 1/2 accoppiate alla gravità . La semplicità del formalismo permette di calcolare correzioni quantistiche a vari processi gravitazionali di cui un esempio è la conversione gravitone-fotone dovuta a campi magnetici costanti di fondo.
3.2 Buchi neri, cosmologia, gravitazione quantistica.
Personale dell'Università: R. Balbinot, R. Casadio, G. Venturi
Personale enti di ricerca (IASF-CNR): F. Finelli
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi G. Alberghi, F. Di Marco, A. Fabbri, S. Fagnocchi, A. Gruppuso, G. Marozzi, A. Tronconi, G. P. Vacca.
Si sono esaminati effetti quantistici nei buchi neri usando teorie di campo scalare ottenute tramite riduzione dimensionale per simmetria sferica dalle quattro dimensioni. Sono state derivate approssimazioni analitiche per il tensore energia-impulso quantistico nello spazio-tempo di Scharzschild. Infine, si è iniziato uno studio per cercare di capire se lo stato quantistico finale della radiazione di Hawking è puro o misto. Si sono altresì studiate la termodinamica e la dinamica semiclassica di gusci di materia bosonica che collassano in anti-De Sitter. In modelli con dimensioni spaziali extra, sono stati analizzati principi di indeterminazione generalizzati ad includere la gravità, il ruolo delle frequenze transplanckiane nell'effetto Hawking, e possibili metriche di buco nero. è stato proposto un approccio per ottenere l'evoluzione temporale dall'equazione di Wheeler-DeWitt in un modello cosmologico inflazionario. Sono state studiate le perturbazioni primordiali durante l'inflazione ed in modelli alternativi con un "rimbalzo". Le previsioni di modelli alternativi di energia oscura per le anisotropie di temperatura della radiazione di fondo a microonde sono state confrontate con i dati di WMAP e si è studiato un modello di quintessenza basato su un campo scalare con lagrangiana di Born-Infeld.
Personale enti di ricerca (IASF-CNR): F. Finelli
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi G. Alberghi, F. Di Marco, A. Fabbri, S. Fagnocchi, A. Gruppuso, G. Marozzi, A. Tronconi, G. P. Vacca.
Si sono esaminati effetti quantistici nei buchi neri usando teorie di campo scalare ottenute tramite riduzione dimensionale per simmetria sferica dalle quattro dimensioni. Sono state derivate approssimazioni analitiche per il tensore energia-impulso quantistico nello spazio-tempo di Scharzschild. Infine, si è iniziato uno studio per cercare di capire se lo stato quantistico finale della radiazione di Hawking è puro o misto. Si sono altresì studiate la termodinamica e la dinamica semiclassica di gusci di materia bosonica che collassano in anti-De Sitter. In modelli con dimensioni spaziali extra, sono stati analizzati principi di indeterminazione generalizzati ad includere la gravità, il ruolo delle frequenze transplanckiane nell'effetto Hawking, e possibili metriche di buco nero. è stato proposto un approccio per ottenere l'evoluzione temporale dall'equazione di Wheeler-DeWitt in un modello cosmologico inflazionario. Sono state studiate le perturbazioni primordiali durante l'inflazione ed in modelli alternativi con un "rimbalzo". Le previsioni di modelli alternativi di energia oscura per le anisotropie di temperatura della radiazione di fondo a microonde sono state confrontate con i dati di WMAP e si è studiato un modello di quintessenza basato su un campo scalare con lagrangiana di Born-Infeld.
3.3 Teorie di gauge e interazioni di contatto.
Personale dell'Università: R. Soldati
Personale Enti di Ricerca (INFN): A. A. Andrianov
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi: P. Giacconi
Viene proposta una spiegazione per l'apparizione di fermioni leggeri e bosoni di Higgs sulla brana, che permette di ottenere predizioni per le masse delle particelle leggere e gli accoppiamenti. Le fluttuazioni della brana danno luogo a particelle scalari quasi sterili dette branoni, che potrebbero essere buoni candidati per la materia oscura nell'Universo. E' stata studiata la ionizzazione per un atomo modello in presenza di un campo esterno uniforme. Esistono stati quantistici atomici quasi stabili in presenza di campi uniformi comunque deboli. Sono state ottenute stime analitiche e numeriche per la rapidità di decadimento dell'atomo.
Personale Enti di Ricerca (INFN): A. A. Andrianov
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi: P. Giacconi
Viene proposta una spiegazione per l'apparizione di fermioni leggeri e bosoni di Higgs sulla brana, che permette di ottenere predizioni per le masse delle particelle leggere e gli accoppiamenti. Le fluttuazioni della brana danno luogo a particelle scalari quasi sterili dette branoni, che potrebbero essere buoni candidati per la materia oscura nell'Universo. E' stata studiata la ionizzazione per un atomo modello in presenza di un campo esterno uniforme. Esistono stati quantistici atomici quasi stabili in presenza di campi uniformi comunque deboli. Sono state ottenute stime analitiche e numeriche per la rapidità di decadimento dell'atomo.
3.4 Elettrodinamica quantica
Personale dell'Università: E. Remiddi, S. Turrini
Personale Enti di Ricerca (INFN): M. Caffo
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi: P. Mastrolia.
E' continuata l'applicazione delle tecniche di calcolo analitico dei grafici di Feynman con il metodo delle equazioni differenziali sviluppato negli anni precedenti. Sono stati calcolati in tal modo i fattori di forma elettromagnetici dell'elettrone a due loop per valori arbitrari del momento trasferito, e un grafico di tipo sunrise (arcobaleno) a tre loop, di interesse per la determinazione a tre e quattro loops di quantità statiche quali il momento magnetico e il raggio della densità di carica dell'elettrone. E' stata inoltre effettuata l'integrazione numerica diretta delle equazioni differenziali per le ampiezze associate al grafico sunrise a due loop per valori arbitrari dell'impulso esterno e delle masse.
Personale Enti di Ricerca (INFN): M. Caffo
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi: P. Mastrolia.
E' continuata l'applicazione delle tecniche di calcolo analitico dei grafici di Feynman con il metodo delle equazioni differenziali sviluppato negli anni precedenti. Sono stati calcolati in tal modo i fattori di forma elettromagnetici dell'elettrone a due loop per valori arbitrari del momento trasferito, e un grafico di tipo sunrise (arcobaleno) a tre loop, di interesse per la determinazione a tre e quattro loops di quantità statiche quali il momento magnetico e il raggio della densità di carica dell'elettrone. E' stata inoltre effettuata l'integrazione numerica diretta delle equazioni differenziali per le ampiezze associate al grafico sunrise a due loop per valori arbitrari dell'impulso esterno e delle masse.
3.5 Fisica nucleare
Personale dell'Università: M. Savoia, G, Bonsignori
Personale enti di ricerca: F. Cannata (INFN), A. Ventura (ENEA)
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi: P. Finelli
Modelli a bosoni e fermioni interagenti con coppie rotte sono stati applicati per descrivere la struttura dei nuclei fino agli stati di spin elevato. Un nuovo modello per la densità dei livelli è stato ottenuto nell' ambito di un approccio di campo medio relativistico dipendente dall'energia. Partendo dai principi e dalle simmetrie della QCD, è stato inoltre sviluppato un nuovo approccio per la descrizione delle proprietà dello stato fondamentale dei nuclei finiti, consistente con la covarianza di Lorentz e la simmetria chirale. I gradi di libertà effettivi del settore di bassa energia della QCD sono esplicitamente considerati nell'ambito della teoria perturbativa chirale "in-medium".
Personale enti di ricerca: F. Cannata (INFN), A. Ventura (ENEA)
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi: P. Finelli
Modelli a bosoni e fermioni interagenti con coppie rotte sono stati applicati per descrivere la struttura dei nuclei fino agli stati di spin elevato. Un nuovo modello per la densità dei livelli è stato ottenuto nell' ambito di un approccio di campo medio relativistico dipendente dall'energia. Partendo dai principi e dalle simmetrie della QCD, è stato inoltre sviluppato un nuovo approccio per la descrizione delle proprietà dello stato fondamentale dei nuclei finiti, consistente con la covarianza di Lorentz e la simmetria chirale. I gradi di libertà effettivi del settore di bassa energia della QCD sono esplicitamente considerati nell'ambito della teoria perturbativa chirale "in-medium".
3.6 Sistemi a molti corpi
Personale dell'Università: E.Ercolessi, G.Fano, G.Morandi, F.Ortolani.
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi: M. Roncaglia, C. Degli Esposti Boschi, S.Pasini.
Si sono investigati sistemi elettronici e di spin fortemente correlati in bassa dimensionalità ai fini della comprensione della superconduttività ad alta temperatura critica. Per studiare la fisica di tali sistemi, con particolare riguardo alle loro proprietà critiche, si sono sviluppate tecniche analitiche che permettono di mappare la Hamiltoniana a molti corpi in una teoria efficace nel continuo, in 1+1 dimensioni, che può poi essere esaminata mediante tecniche di teorie conformi. Questi metodi analitici sono affiancati da analisi numeriche che, utilizzando il recente metodo del Density Matrix Renormalization Group, permettono di studiare lo spettro e le funzioni di correlazioni di sistemi unidimensionali con grande precisione. Parallelamente si è continuato lo studio dell'influenza di termini topologici sulle proprietà fisiche di un sistema: in particolare, in un contesto geometrico-differenziale, si sono studiate le fasi geometriche sia per stati puri che misti in meccanica quantistica.
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi: M. Roncaglia, C. Degli Esposti Boschi, S.Pasini.
Si sono investigati sistemi elettronici e di spin fortemente correlati in bassa dimensionalità ai fini della comprensione della superconduttività ad alta temperatura critica. Per studiare la fisica di tali sistemi, con particolare riguardo alle loro proprietà critiche, si sono sviluppate tecniche analitiche che permettono di mappare la Hamiltoniana a molti corpi in una teoria efficace nel continuo, in 1+1 dimensioni, che può poi essere esaminata mediante tecniche di teorie conformi. Questi metodi analitici sono affiancati da analisi numeriche che, utilizzando il recente metodo del Density Matrix Renormalization Group, permettono di studiare lo spettro e le funzioni di correlazioni di sistemi unidimensionali con grande precisione. Parallelamente si è continuato lo studio dell'influenza di termini topologici sulle proprietà fisiche di un sistema: in particolare, in un contesto geometrico-differenziale, si sono studiate le fasi geometriche sia per stati puri che misti in meccanica quantistica.
3.7 Relatività e meccanica quantica.
Personale dell'Università: S. Bergia
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi: C. Appignani, L.Fabbri.
Nell'ambito di un gruppo di ricerca sulla relatività generale e la cosmologia, sono stati condotti studi sulle teorie unitarie multidimensionali e sul quesito, ben noto ma tuttora oggetto di controversie, se una carica in caduta libera in un campo gravitazionale irradii o meno. Sono stati altresì analizzati in maniera critica alcuni aspetti della versione di Bohm della meccanica quantica.
Assegni di Ricerca, Borse post-doct, dottorandi: C. Appignani, L.Fabbri.
Nell'ambito di un gruppo di ricerca sulla relatività generale e la cosmologia, sono stati condotti studi sulle teorie unitarie multidimensionali e sul quesito, ben noto ma tuttora oggetto di controversie, se una carica in caduta libera in un campo gravitazionale irradii o meno. Sono stati altresì analizzati in maniera critica alcuni aspetti della versione di Bohm della meccanica quantica.
3.8 Teoria dello scattering
Personale dell'Università: G. Velo
Sono stati studiati alcuni aspetti della teoria dello scattering per equazioni nonlineari di interesse nella fisica teorica in situazioni in cui sono presenti fenomeni di lungo range. In questi casi le soluzioni dell'equazione in esame non si comportano a grandi tempi come le soluzioni della corrispondente equazione senza interazione e di conseguenza gli operatori d'onda (matrici di Moeller) debbono essere modificati. L'esistenza di questi operatori è stata dimostrata sia per il sistema di equazioni onde-Schroedinger sia per il sistema di equazioni Maxwell-Schroedinger in un caso particolare.
Sono stati studiati alcuni aspetti della teoria dello scattering per equazioni nonlineari di interesse nella fisica teorica in situazioni in cui sono presenti fenomeni di lungo range. In questi casi le soluzioni dell'equazione in esame non si comportano a grandi tempi come le soluzioni della corrispondente equazione senza interazione e di conseguenza gli operatori d'onda (matrici di Moeller) debbono essere modificati. L'esistenza di questi operatori è stata dimostrata sia per il sistema di equazioni onde-Schroedinger sia per il sistema di equazioni Maxwell-Schroedinger in un caso particolare.
Illustrazione dell'evoluzione dell'Universo: dal Big Bang ad oggi