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Fisica sperimentale delle particelle elementari

Blazar, acceleratore di raggi cosmici. Fonte: IceCube, WIPAC

Nell'ambito dell'astrofisica multi-messaggero, i messaggeri cosmici servono come strumenti preziosi per esaminare i processi di accelerazione e produzione all'interno delle sorgenti astrofisiche da cui provengono, ovvero gli acceleratori di particelle più potenti dell'Universo. Il nostro gruppo è all'avanguardia nell'astrofisica multi-messaggero, un campo che esplora i fenomeni cosmici attraverso segnali diversi. In particolare, ci concentriamo sulla ricerca sui raggi cosmici e sui raggi gamma, facendo parte di collaborazioni scientifiche come l'Osservatorio Pierre Auger per lo studio dei raggi cosmici più estremi nella Pampa argentina, il Cherenkov Telescope Array (CTA) per l'astronomia pionieristica a terra dei raggi gamma, e HERD-DMP per esperimenti sui raggi cosmici a bassa energia fino alla regione del PeV.

Laser centrale dell'Osservatorio Pierre Auger. Fonte: V. Rizi

Principali competenze

La nostra esperienza interdisciplinare si estende a tutta la fenomenologia dei raggi cosmici, compresa l'analisi dettagliata dei dati e lo sviluppo di nuove tecniche di osservazione. Siamo specializzati nello studio delle complesse interazioni dei raggi cosmici negli ambienti astrofisici e nell'atmosfera terrestre, svelando la loro complessità e sondando le proprietà che ne influenzano il comportamento. L'iinteresse nella fenomenologia della gravità quantistica migliora ulteriormente la nostra comprensione delle forze fondamentali che plasmano l'universo.

Connettiti con noi

  • Fenomenologia dei raggi cosmici ad altissima energia (UHECR)
  • Fisica fondamentale dei raggi UHECR
  • Spettro e composizione chimica degli UHECR
  • Simulazioni Monte Carlo e analisi dei dati
Contatti: Denise Boncioli, Francesco Salamida

  • Monitoraggio atmosferico per UHECR e osservatori di raggi gamma
  • Effetti della variabilità dell'atmosfera terrestre sulla fluorescenza indotta dall'UHECR e sulla luce Cherenkov dei raggi gamma ad alta energia.
Contatti: Vincenzo Rizi, Ermanno Pietropaolo, Marco Iarlori

  • Esperimento HERD_DMP: e' un esperimento INFN di Gruppo II che mira alla realizzazione di una struttura per la "High Energy cosmic Radiation Detection" (HERD), la cui installazione è prevista per il 2027 sulla China Space Station (CSS), finalizzato alla misura del flusso di elettroni e fotoni nell’intervallo di energia 2 GeV – 100 TeV e dei raggi cosmici carichi da 30 GeV a 30 PeV.
Contatti: Noemi Finetti

Materia oscura

La materia oscura è uno degli enigmi più intriganti e ancora irrisolti della cosmologia moderna. A differenza della materia familiare che osserviamo e con cui interagiamo ogni giorno, la materia oscura non emette, assorbe o riflette la luce. La sua esistenza è dedotta da varie osservazioni e misurazioni a diverse scale. Le prove più convincenti provengono dallo studio delle curve di rotazione delle galassie, dal movimento degli ammassi di galassie e dalle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo a microonde. Queste osservazioni rivelano costantemente che le forze gravitazionali derivanti dalla sola materia visibile sono insufficienti a spiegare le dinamiche e gli effetti gravitazionali osservati nell'Universo.

L'esperimento XENONnT

L'esperimento XENONnT è un'impresa scientifica all'avanguardia che mira a risolvere l'enigma della materia oscura. Si tratta di un esperimento di rivelazione diretta condotto sotto 1400 metri di roccia, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN in Italia, a pochi chilometri dal nostro dipartimento. XENONnT è stato realizzato grazie alla collaborazione di scienziati provenienti da oltre 25 istituzioni di tutto il mondo.

La collaborazione mondiale XENON. Fonte: la Collaborazione XENON
L'esperimento impiega una camera di proiezione temporale a doppia fase (TPC) riempita di xenon liquido ultra-puro come materiale bersaglio. La TPC è progettata per rilevare i deboli segnali prodotti quando le particelle di materia oscura, ipotizzate come particelle massive debolmente interagenti (WIMP), interagiscono con i nuclei di xenon. Monitorando attentamente i segnali del TPC, possiamo distinguere le interazioni causate da sorgenti di fondo note, come i raggi cosmici e i decadimenti radioattivi, dai potenziali segnali di materia oscura. L'obiettivo è identificare eventuali eccessi o schemi distinti nei dati che non possono essere spiegati dalle sorgenti note.

Principi di funzionamento della TPC a doppia fase. Fonte: la Collaborazione XENON
Fasi della costruzione del TPC XENONnT presso LNGS. Fonte: la Collaborazione XENON
Raccogliendo e analizzando continuamente i dati dell'esperimento XENONnT, ci proponiamo di approfondire la natura e le proprietà delle particelle di materia oscura. I risultati ottenuti dal nostro esperimento contribuiranno alla comprensione della struttura fondamentale dell'universo, facendo potenzialmente luce sulle elusive proprietà della materia oscura e sul suo ruolo nel cosmo. Oltre alla ricerca delle WIMP, molti altri importanti canali fisici possono essere esplorati da XENON e dal rivelatore successivo DARWIN. Qui sono mostrati i diversi canali scientifici dei rivelatori XENON e DARWIN.

I diversi canali scientifici dei rilevatori XENON e DARWIN. Fonte: R. Lan

The XENON group at UnivAq

Il gruppo XENON del DSFC - UnivAq è piuttosto attivo e dinamico e lavora in collaborazione con i ricercatori del laboratorio del Gran Sasso. Siamo coinvolti in diversi compiti dell'esperimento:

• Simulazioni Monte Carlo e analisi dei dati
• Rivelatore TPC
• Sistema di purificazione dello xeno
• Veto di muoni
• Controllo lento

e abbiamo diverse responsabilità sia nelle operazioni e nella manutenzione del rivelatore che dell'infrastruttura (Technical Manager (TC), Run Coordinator (RC)).
Abbiamo anche una serie di progetti di ricerca e sviluppo in corso, tutti finalizzati al miglioramento della tecnologia del rivelatore in vista dell'esperimento di prossima generazione sulla materia oscura basato sullo xenon, DARWIN.

Il gruppo XENON di UnivAq e LNGS

Contatti:
Carla Macolino, Alfredo Davide Ferella

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