Fisica Teorica
Parte del gruppo di ricerca del Dipartimento di Fisica e Astrofisica lavora in stretta collaborazione con scienziati dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e del Consiglio Nazionale delle Ricerche. La maggior parte del personale dell'Università è affiliata all'INFN, che costituisce una risorsa fondamentale per le attività del gruppo. In particolare, vi è un'intensa partecipazione alle attività dell'Istituto Galileo Galilei per la Fisica Teorica, un unicum in Italia, che ospita workshop estesi, scuole di dottorato e programmi di visite con i più importanti fisici teorici da ogni parte del mondo. Analogamente, l'Istituto dei Sistemi Complessi ha un intenso calendario di seminari, lezioni ed eventi di divulgazione riguardanti la fisica statistica.
Le principali linee di ricerca seguite del gruppo di fisica teorica sono riportate qui sotto. Maggiori informazioni sono disponibili alla pagina web del gruppo.
La descrizione teorica della materia in condizioni estreme di temperatura e densità è uno degli argomenti più avanzati di ricerca nella fisica. In queste condizioni gli effetti relativistici e quantistici giocano un ruolo importante e molte relazioni note di termodinamica e meccanica statistica devono essere riviste. Tra le applicazioni fenomenologiche di rilievo troviamo le collisioni nucleari di altissima energia, il plasma di quark e gluoni, l'astrofisica delle alte energie, la cosmologia e ogni altro fenomeno dove la materia raggiunge l'equilibrio termodinamico locale nel regime relativistico. Tra gli strumenti teorici principali di questo campo di ricerca vi sono la teoria quantistica dei campi, la meccanica statistica quanto-relativistica, la relatività generale, la teoria dei gruppi. Interessanti connessioni sono state trovate con i metodi olografici (vedi Olografia).
Per ulteriori informazioni sull'attività di ricerca, il gruppo e le tesi disponibili: Relativistic and Nuclear Matter.
La dualità gauge/gravità, o olografia, è una mappa tra teorie quantistiche dei campi, che descrivono la fisica delle particelle elementari e della materia condensata, e teorie di gravità quantistica. Trova precisa realizzazione nel contesto della teoria delle stringhe e ha profonde implicazioni sia per le teorie dei campi che per la gravità. L'olografia fornisce un contesto unico per comprendere la gravità come fenomeno emergente, risultante dal comportamento collettivo di un gran numero di gradi di libertà. Contestualmente, la teoria dell'informazione quantistica si è affermata di recente come un importante strumento per indirizzare la ricerca in questo ambito. In particolare, ha evidenziato connessioni profonde tra geometria ed entanglement, portando a una comprensione più profonda della fisica dei buchi neri, delle misure di entanglement, del caos quantistico e del paradosso dell'informazione. Al contempo, l'olografia consente di esplorare la struttura dei sistemi fortemente accoppiati, dove le interazioni sono così intense da non permettere l'utilizzo del tradizionale paradigma perturbativo basato su gradi di libertà debolmente interagenti. Esempi celebri di tali sistemi spaziano dalla teoria fondamentale dei quark e gluoni - la cromodinamica quantistica - a sistemi critici quantistici, superconduttori ad alta temperatura, non-Fermi liquids.
L'attività del nostro gruppo si concentra su tre tematiche principali (per ulteriori informazioni: Florence String Theory Group):
- L'esplorazione di misure di entanglement e vincoli di informazione quantistica in olografia per giungere ad una nuova comprensione dei buchi neri e della gravità quantistica.
- L'applicazione dell'olografia alla dinamica dei sistemi fortemente accoppiati, come ad esempio la materia adronica, e delle transizioni di fase nell'universo primordiale.
- Lo sviluppo e l'applicazione di nuovi metodi di localizzazione e integrabilità per comprendere la dinamica delle teorie di gauge (supersimmetriche).
Quest'area di ricerca studia a livello quantistico l'interazione gravitazionale negli urti tra particelle a grandissima energia (oltre l'energia di Planck) sfruttando teorie di campo quantistiche efficaci le quali, nel limite classico, riproducono la Relatività Generale di Einstein. Lo scopo generale di questa attività è quello di capire come si comporti la gravità in situazioni estreme, dove si ritiene indispensabile una trattazione quantistica, ma allo stesso tempo ci si aspetta la creazione di buchi neri macroscopici, quindi descrivibili, per certi aspetti, in termini classici. In particolare, in questi urti transplanckiani si studiano la produzione di radiazione gravitazionale (polarizzazione, spettro, ...) e la dinamica a due corpi (angoli di deflessione, presenza di parametri d'impatto critici, ...). Questi studi, da un punto di vista fondamentale, ambiscono ad una comprensione più profonda di aspetti di base della gravità, come la creazione e il dissolvimento dei buchi neri e la possibile soluzione del paradosso dell'informazione. Da un punto di vista più pratico invece, essi si confrontano con calcoli utilizzati nella fenomenologia delle onde gravitazionali e nei processi astrofisici a due corpi.
Le interazioni a lungo raggio sono molto frequenti in natura. I sistemi autogravitanti sono l'esempio principale, ma sono a lungo raggio anche le interazioni elettrostatiche non schermate che possono manifestarsi nei plasmi e, nell'ambito della materia condensata, le forze dipolari o le interazioni efficaci fra atomi freddi in cavità ottiche mediate dal campo elettromagnetico. Questi sistemi non sono additivi, e di conseguenza mostrano proprietà collettive all'equilibrio peculiari: gli insiemi statistici possono essere non equivalenti fra loro e si possono avere calori specifici negativi. Ciò nonostante, una descrizione termodinamica consistente di questi sistemi è possibile, e ha caratteristiche inattese anch'essa: la temperatura, la pressione e il potenziale chimico possono essere fissate simultaneamente come variabili indipendenti. In meccanica statistica, questo corrisponde all'insieme completamente aperto.
La proprietà più sorprendente di questi sistemi è che il tempo di rilassamento verso l'equilibrio termodinamico diverge al crescere del numero di costituenti elementari, e quindi un sistema abbastanza grande rimane fuori dall'equilibrio per sempre, e di solito rilassa verso stati quasi-stazionari non termici. Caratterizzare la natura di questi stati e il processo di rilassamento (non collisionale) sarebbe cruciale per comprendere, ad esempio, le proprietà globali dei sistemi stellari e delle galassie e molti aspetti della loro evoluzione. Recentemente è stata ottenuta un'equazione efficace per l'evoluzione di una funzione di distribuzione "a grana grossa", che potrebbe essere uno strumento molto utile per comprendere la dinamica di questi sistemi. L'attività di ricerca riguarda sia aspetti teorici fondamentali e modelli molto semplici sia applicazioni a sistemi reali, dai sistemi stellari (ammassi e galassie) ai plasmi astrofisici (come la corona solare) a sistemi di materia condensata come gli atomi freddi in cavità ottiche (image credit: ESO/M.-R. Cioni/VISTA Magellanic Cloud survey).
Il Modello Standard della Fisica delle Particelle costituisce la teoria attualmente più maggior successo tutto ciò che sappiamo sulle particelle elementari e sulle loro interazioni. Esso permette di descrivere un ampio insieme di fenomeni con eccellente accuratezza, cosa difficilmente ottenibile in altre aree della Fisica. La recente scoperta del bosone di Higgs all'LHC al CERN, completando la lista delle particelle predette decenni fa dal Modello Standard, costituisce il più recente trionfo di questa teoria.
Nonostante questi successi, è ormai assodato che il Modello Standard è una teoria incompleta. Diverse ragioni teoriche e sperimentali (ad esempio la mancanza di una descrizione della massa dei neutrini, di un candidato di Materia Oscura, e, infine, di una descrizione fondamentale della gravità) supportano fortemente l'idea che debba esistere nuova fisica. Gli esperimenti ai collider, ed in particolare l'LHC, costituiscono una delle migliori opportunità per testare accuratamente le predizioni del Modello Standard e per cercare segnali di nuovi fenomeni. Il bosone di Higgs stesso potrebbe rappresentare un portale per la scoperta e l'esplorazione di nuova fisica, come conseguenza della sua connessione con alcune delle proprietà strutturali alla base della dinamica del Modello Standard, il cosiddetto problema della naturalezza, che suggerisce la presenza di nuovi fenomeni alla scala di energia del TeV.
Il nostro gruppo è interessato allo studio di diversi aspetti della Fisica oltre il Modello Standard, tramite approcci sia analitici che numerici. Le principali linee di ricerca attuali sono le seguenti (per maggiori informazioni: pagina web del gruppo):
- Fisica dell'Higgs: costruzione di modelli oltre il Modello Standard
- Fisica ai collider: test sperimentali di nuova fisica, sviluppo di tecniche di intelligenza artificiale per ottimizzare le misure sperimentali
- Fisica del Flavor oltre il Modello Standard
- Materia Oscura: modelli (WIMPS e assioni) ed esperimenti
- Cosmologia: transizioni di fase nell'universo primordiale ed inflazione
La teoria quantistica dei campi è il linguaggio principale della fisica teorica in quanto permette di descrivere i sistemi a molti corpi con creazione e distruzione di quanti, in accordo con la relatività speciale. Le interazioni fondamentali tra particelle elementari sono descritte da teorie quantistiche di campo. La Teoria Statistica dei Campi concerne le applicazioni delle tecniche campistiche oltre l'ambito delle alte energie, in sistemi le cui eccitazioni quantistiche elementari (quasi-particelle) possono essere a massa nulla, e quindi "relativistiche", anche a basse energie. In tempi recenti questo settore di ricerca è diventato estremamente dinamico ed innovativo per l'esistenza di numerosi sistemi ed esperimenti che presentano fenomeni intrinsecamente quantistici come per esempio la trasmutazione e frazionamento dei gradi di libertà, condensazione di Bose-Einstein e transizioni di fase, fase topologica di Aharonov-Bohm e gradi di libertà topologici, etc. Sistemi di questo tipo sono per esempio i computer e dispositivi quantistici, gli atomi freddi, le catene di spin, le fasi topologiche della materia, i sistemi quantistici fuori dall'equilibrio. Nello studio di tali sistemi e fenomeni svolgono un ruolo primario utili tecniche come le teorie di campo conforme, i modelli di meccanica statistica esattamente risolubili, e sofisticati metodi numerici. Nel suo complesso, la Teoria Statistica dei Campi è un settore interdisciplinare, e unisce la fisica della particelle con la materia condensata e con la fisica matematica.
Le principali linee di ricerca presenti a Firenze sono:
- Effetto Hall quantistico e fasi topologiche della materia (vedi pagina web)
- Modelli integrabili su reticolo e fenomeni di forma-limite (vedi pagina web)
- Entanglement e sua evoluzione fuori dall'equilibrio termodinamico.
L'attività di ricerca del gruppo è dedicata allo sviluppo di aspetti teorici e di studi fenomenologici delle interazioni fondamentali delle particelle elementari. Nell'ambito del Modello Standard della Fisica delle Particelle Elementari, una gran parte dell'attività è focalizzata ad aumentare la conoscenza e l'accuratezza delle previsioni teoriche per il programma di fisica alle energie degli acceleratori di particelle operanti attualmente e nel prossimo futuro. Sviluppiamo nuovi metodi teorici per il calcolo perturbativo delle correzioni radiative prodotte dalle interazioni elettrodeboli e di QCD. I metodi, che riguardano calcoli sia ad ordine perturbativo fisso (in particolare, NLO e NNLO) che mediante risommazioni a tutti gli ordini, sono applicati per ottenere previsioni teoriche di alta precisione e per effettuare studi fenomenologici dettagliati di processi di produzione con grandi impulsi trasferiti in collisioni di particelle a grandi energie. Questi processi includono, ad esempio, la produzione di bosoni vettoriali, del bosone di Higgs, di quarks pesanti e di jet adronici alle energie del Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra (in figura: sezione d'urto totale per la produzione di quark top negli esperimenti ATLAS e CMS ad LHC).
Parte dell'attività di ricerca è inoltre dedicata allo studio del comportamento delle ampiezze di scattering di QCD nella regione infrarossa (soffice e collineare) ad ordini perturbativi elevati (a partire da N3LO), oltre la frontiera teorica attuale. Questo studio ha lo scopo di aumentare l'accuratezza delle previsioni perturbative di QCD, come pure di indagare aspetti fondamentali delle teorie di gauge perturbative. Uno di questi aspetti riguarda la connessione e la fattorizzazione tra fisica di piccole e grandi distanze in processi con scale multiple di energia.
Per maggiori informazioni: pagina web del gruppo (sezione "QCD and Particle Physics Phenomenology at High Energies").
Le correlazioni quantistiche, e tra queste l'entanglement, svolgono un ruolo fondamentale sia nel comportamento collettivo dei sistemi quantistici a molti corpi, sia nel permettere la maggiore velocita' degli algoritmi quantistici. Inoltre, un'attenta indagine del comportamento dinamico dei sistemi quantistici e del loro ambiente circostante è solo essenziale non solo per le applicazioni, che vanno dalla termodinamica al calcolo quantistico, ma anche per gettare nuova luce su problemi fondamentali in fisica, come la connessione tra il mondo microscopico e macroscopico. Il nostro gruppo è attivo in diverse direzioni:
- Dinamica di modelli a bassa dimensione per il trasferimento di stati quantistici e di entanglement
- Modelli fermionici e bosonici esattamente risolubili per il benchmarking di dispositivi di calcolo quantistico
- Algoritmi quantistici e metodi di simulazione quantistica, progettati specificamente per i processori quantistici attuali, composti da ~50 qubit non perfettamente isolati dall'ambente
- Procedure ibride classiche-quantistiche per la generazione di entanglement o la risoluzione di problemi computazionali; sistemi quantistici a molti corpi vicini al punto critico o al punto di "transizione di entanglement" ed il loro possibile utilizzo per la protezione dell'entanglement
- Metodi di simulazione per studiare effetti quantistici di non equilibrio con dispositivi superconduttori di tipo transmon, utilizzando direttamente l'hardware quantistico per stimare gli stati eccitati a bassa energia di sistemi quantistici a molti corpi
- Complessità del machine learning e piu' in generale del calcolo quantistico
- Studio dell'interazione tra informazione quantistica e termodinamica: motori quantistici e sensori quantistici
- Fondamenti di meccanica quantistica e connessione con la relatività generale: crossover classico-quantistico mediante stati coerenti generalizzati, misure quantistiche, definizione del tempo nella meccanica quantistica e classica; buchi neri come sistemi quantistici macroscopici.
Ultimo aggiornamento
06.06.2023