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Tecniche Avanzate per la Fisica Fondamentale

Tecniche Avanzate per la Fisica Fondamentale

 Questa Linea di Ricerca racchiude diversi Progetti interdisciplinari con lo scopo di sviluppare rivelatori o tecniche specifiche per ricerche di fisica fondamentale in diversi campi, dallo studio del plasma primordiale formato subito dopo il Big Bang, ai problemi di fisica quantistica o alla ricerca di onde gravitazionali.

 

Il Progetto Quark-Gluon Coloured World – ALICE and beyond (QGCW) si propone di studiare le collisioni tra nuclei pesanti di Piombo (208Pb82+) alla massima energia mai finora raggiunta facendo uso del Large Hadron Collider (LHC) del CERN. A queste energie è possibile riprodurre lo stato della materia così come si suppone fosse alcuni milionesimi di secondo dopo il Big Bang. È una materia caratterizzata dal deconfinamento di quark e gluoni con carica di colore non nulla e descritta dalla Quantum Chromo Dynamics (QCD): un mondo “colorato”, denominato QGCW, composto di materia fondamentalmente diversa da quella che conosciamo (fatta di barioni a carica di colore zero).

Il Progetto QGCW si inserisce in questa prospettiva e il primo passo è stata la partecipazione, sin dal 2009, all’esperimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment) operante a LHC, e in particolare alla realizzazione del grande rivelatore TOF (Time-Of-Flight) che costituisce una componente essenziale dell'apparato sperimentale per l’identificazione delle particelle cariche prodotte. La tecnologia usata per il TOF è ancora quella delle MRPC (in una versione più sofisticata rispetto al Progetto EEE) e il continuo affinamento delle tecniche di calibrazione ha portato questo rivelatore a raggiungere una precisione nella misura del tempo di meno di 60 picosecondi (ps) su una superficie di circa 140 m2, un risultato unico al mondo per un rivelatore di queste dimensioni e che permette un ulteriore miglioramento delle capacità di identificare le particelle.

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L’esperimento ALICE continuerà a prendere dati sino al 2018 (collisioni p-p e Pb-Pb) per poi iniziare un upgrade che permetterà di migliorarne le prestazioni. Il TOF dovrà aggiornare la parte di lettura dei segnali. Per quanto riguarda l’analisi dei dati, il 2018 vedrà numerosi nuovi risultati di fisica, inclusi i risultati delle analisi del run di presa dati per collisioni Xe-Xe a LHC dell’ottobre 2017.

Ci sarà una attenzione particolare agli studi in funzione della molteplicità di tracce cariche, una ricerca che ha già portato a un sorprendente numero di similitudini tra collisioni di tipo molto diverso (pp, p-Pb e Pb-Pb). Questi risultati hanno anche stimolato un intenso programma di studi teorici che vogliono provare a spiegare le caratteristiche del QGCW in base alla sola QCD, in particolare nel modello di Lund. Il Centro Fermi partecipa attivamente a questi studi, cercando in particolare di collegare la misura della molteplicità a una misura di energia effettiva tramite lo studio dei processi con un protone “leading”.

 

Il Progetto Problematiche Aperte della Meccanica Quantistica (PAMQ) si inserisce nel crescente interesse intorno ai fondamenti della meccanica quantistica, sia dal punto di vista teorico sia da quello sperimentale e applicativo, come dimostrato anche dal lancio della nuova FET Flagship su Quantum Technologies da parte della Commissione Europea.

Il Progetto PAMQ ha come obiettivo il confronto tra vari modelli di riduzione per descrivere il collasso della funzione d'onda e i possibili effetti sperimentalmente misurabili. Il Progetto partecipa anche all’esperimento VIP-2 presso i laboratori INFN del Gran Sasso (Figura 6) che ricerca l’esistenza di eventuali “atomi impossibili” che violerebbero il principio di esclusione di Pauli per gli elettroni.

 

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Il Progetto Fisica Fondamentale nello Spazio (FISP) è basato sull'analisi orbitale del satellite inseguito via laser LARES (LAser RElativity Satellite), lanciato con successo dall’Agenzia Spaziale Italiana nel 2012, e di altri due satelliti: LAGEOS 1 e il futuro LARES 2.Il Progetto FISP ha come obiettivo il raggiungimento di un insieme di prove sperimentali della relatività generale tra cui la misura del fenomeno del frame-dragging con accuratezze mai raggiunte prima. Lo studio dei dati acquisiti, oltre a migliorare la precisione della misura, ha portato all'approvazione di un nuovo satellite LARES 2 da parte dell'Agenzia Spaziale Italiana, con il lancio in orbita previsto per il 2019. 

Questo satellite, con retro-riflettori di nuova generazione e una struttura innovativa, raggiungerà una precisione di posizionamento stimata inferiore a 1 millimetro su circa 5900 chilometri. Tale precisione permetterà una più accurata determinazione degli effetti classici newtoniani e consentirà nuove e più accurate misure di fisica fondamentale e relatività generale.

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Il Progetto Microcavità Fotoniche (MIFO) nasce dall’esperienza maturata in due precedenti progetti del Centro Fermi, e si concentra sullo studio, sia per fini applicativi sia per ricerca di base, di strutture a microcavità, quali microrisonatori ottici a modi di galleria o strutture a cristallo fotonico.

Un obiettivo specifico del Progetto MIFO è costituito dallo sviluppo di un trasduttore ottico innovativo per applicazioni nel campo dell’analisi dei materiali. L’idea è di utilizzare microrisonatori a bolla ad alto fattore di qualità realizzati in capillari di vetro per la caratterizzazione di nanoparticelle metalliche in liquidi mediante microscopia fotoacustica. Inoltre, sono in fase di sviluppo e di caratterizzazione nell’ambito del Progetto materiali nanocompositi fotoluminescenti e strutture a cristallo fotonico per il controllo della radiazione ottica, di particolare interesse per applicazioni nel campo dell’energia.

 

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Il Progetto Innovative Mirror Coating Research (ICORE) ha come scopo quello di abbattere il rumore termico nei rivestimenti (coating) ad alta riflettività degli specchi che equipaggiano le cavità ottiche delle antenne interferometriche per la rivelazione di onde gravitazionali quali LIGO e Virgo. Questo rumore determina la distanza di visibilità di questi strumenti nella banda spettrale in cui questa è massima (da qualche decina a qualche centinaio di Hz).

A tal scopo è stata messa in opera una facility per la deposizione di film sottili basata sulla tecnica “ion-assisted e-beam gun” presso l'Università del Sannio, ed è stato realizzato ed è operativo presso l’Università di Roma Tor Vergta un sistema per la misura delle perdite meccaniche (ringdown) in film sottili deposti su dischi basata su sospensione nodale. Nel 2018 è prevista la caratterizzazione esaustiva delle proprietà morfologiche, meccaniche (viscoelastiche) e ottiche di prototipi di film nano-stratificati basati su SiO2/TiO2.

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