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Attività di Bari

 

Coordinatore: Giacomo Volpe

People

Experiments

Thesis

 

Attività di Bari

Coordinatore: Antonio Marrone

 

Theoretical physics

The theoretical group in Bari gathers about 30 people (including staff researchers and PhD/postdoc fellows), and carries out a vibrant research program in diverse disciplines, ranging from the study of fundamental interactions (electroweak, strong, gravitational) to the evolution of quantum systems and to the statistical mechanics of complex systems, with some spin-offs in applied research. The quality of all the research lines is testified by a number of publications in international journals and by the organization of biannual workshops in the main fields of activity, as well as by the participation and contributions to major conferences worldwide. The research is carried out and financed in the framework of two strictly connected institutions, the University and the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).  Each of the six main INFN local activities (called NPQCD, QFT-HEP, QUANTUM, TAsP, FieldTurb, BioPhys) is actually a node of a larger international network.

 

NPQCD – Non-perturbative Quantum ChromoDynamics

Quantum ChromoDynamics (QCD) is widely accepted as the theory of strong interactions. Lattice QCD is the most reliable first-principle tool to address QCD in its non-perturbative regime and allows in many cases a quantitative comparison to experimental observables. We study QCD at high temperature and density which is relevant both for the physics of relativistic heavy-ion collisions and for the physics of the early universe. To this purpose we also investigate the dynamics of color confinement-deconfinement in QCD. Our investigations are performed using state-of-the-art supercomputing resources and computational techniques.

 

QFT-HEP – Phenomenology of the Standard Model and Beyond 

Physics beyond the Standard Model, consequences in the flavor sector

There are fundamental questions  that the Standard Model (SM) of fundamental interactions leaves unanswered, namely, the number of generations of elementary fermions, the matter-antimatter asymmetry in the Universe, the nature of the dark matter, the hierarchy among the fermion masses,  the vast difference between the electroweak and the Planck scale. A possible answer is that the SM is an effective field theory needing to be extended at high energies. Physics beyond the Standard Model affects rare phenomena in kaon, charm and beauty hadron physics. The group is working on the impact on flavor observables of theories with extra-dimensions and extended gauge groups. The experimental counterparts are the collaborations at LHC and at the flavor factories (BES-Beijing and Belle-Tsukuba). The phenomenology of rare Higgs decays is also currently investigated.

Heavy and light hadron spectroscopy

Bound states of quarks and gluons are the prime effect of strong interactions. The experimental observations of resonances with unexpected properties, made recently at various colliders, challenge the present theoretical description, and require detailed analyses of the mass spectra and decay features.  The group is providing classification schemes for the observed hadrons, as well as predictions for new states.

Gauge/gravity duality and applications to the strong interactions

A breakthrough in the theory of fundamental interaction is the discovery of the so-called gauge/gravity duality, which allows us to establish a correspondence between certain 4D gauge theories and higher dimensional gravity theories.The group is studying the possible application of the correspondence to strong interactions. The aim is to access hadronic quantities like masses and strong couplings, the QCD phase diagram,  the temperature and baryon density dependence of the hadron properties, the evolution from far-from-equilibrium conditions of strongly interacting systems.

 

QUANTUM – Finite and infinite quantum systems

The advent of quantum information and the developments that ensued have changed the status of quantum mechanics. Its most puzzling aspects have been brought to the forefront of theoretical investigation, for instance in the emerging field of quantum technologies and applications. At the same time, the astounding experimental success in controlling single atoms, or in freezing  and manipulating atom arrays, have made concrete the possibility of quantum based revolutionary technological steps. Furthermore, the increasing accuracy in interferometric techniques has made feasible the investigation of quantum coherence effects in a wide variety of physical systems. The major objective of the QUANTUM group is the investigation of typical quantum effects and phenomena. The research activity pursues the foregoing objective via four major, interrelated avenues: entanglement and other quantum correlations, quantum dissipative systems, quantum control, and quantum gases. The topics investigated have a foundational character, but are of interest also in view of possible applications. We mention the links of entanglement with complexity, its key role in quantum phase transitions, the dissipative dynamics due to quantum fluctuations in many-body systems, the quantum-to-classical transition, the phase-space (Wigner function) formulation, the dynamical evolutions of cold gases and Bose-Einstein condensates, the emerging fields of quantum-state and quantum-process tomography, quantum channels, sub-shot-noise imaging, and quantum metrology.

 

TAsP – Theoretical Astroparticle Physics 

Neutrino Physics

In the last two decades, the discovery of neutrino flavor oscillations (awarded with 2015 Nobel Prize) has provided us with important evidence of new physics beyond the standard electroweak model. Although several features of the neutrino mass-mixing phenomenology can be described in a simple three-generation framework, several unknowns remain to be settled, including the absolute scale and the ordering of neutrino masses, the Dirac or Majorana nature of the neutrino fields, the precise value of the largest mixing angle, the hints of leptonic CP violation, and possible the existence of new (sterile) neutrino states and of new (flavor changing or conserving) neutrino interactions. All these issues have profound implications in particle physics, astrophysics and cosmology. Our group is actively engaged in the theoretical and phenomenological analysis of both oscillatory and non-oscillatory aspects of neutrino physics, including: 1) Investigation of the neutrino CP violating phase from global data analyses of oscillation data; 2) Statistical analysis of current limits and prospective observations of neutrinoless double decay; 3) Study of neutrino mass hierarchy discrimination with atmospheric and reactor neutrinos; 4) Study of Earth models in the context of geoneutrinos; 5) Neutrino self-interaction and turbulence effects in Supernova neutrinos; 6) Neutrinos and axions as candidates for dark matter.

Cosmology

The local scientific activity in the field of cosmology is mainly devoted to the analysis of cosmological models beyond the reference one [the so-called Lambda Cold Dark matter (LCDM) model], especially to account for possible large-scale inhomogeneity and anisotropy.  Recent research topics are: 1) Phenomenological discussion and a quantitative estimate of the possible relevance of the cosmological inhomogeneities of primordial origin for the precise determination of the basic parameters of the LCDM concordance model; 2) Exact, non-perturbative calculation of the redshift-luminosity distance relation, obtained in a new gauge introduced on purpose and adapted to the past light-cone of the given observer;  3) Computation (up to the third order) of the gravitational light deflection effect in perturbed cosmological backgrounds; 4) Inhomogeneous models of the Universe: Calculation of the luminosity distance of a source for off-centre observer in the LTB (Lemaitre-Tolman-Bondi) model; exact luminosity distance and apparent magnitude formulas applied to a sample data of Union2 supernovae for different profiles. Studies of electrodynamics in curved space-time, in LTB model. Effects on photon propagation in this model due to inhomogeneities.

 

BioPhys – Biological applications of theoretical physics methods

The local research activity is mainly focussed on the applications of  complex networks modelling in neuroscience, on the development on novel  analysis tools for the analysis of complex signals in neurodegenerative diseases, on the application of Machine Learning tools to Melanoma and  other biomedical data, on the study and simulations of large molecules  of biological interest. Recent activities include: 1) Application of equilibrium and  non-equilibrium simulations to the investigation of systems of  biomedical and technological relevance. In particular, we studied the  aggregation propensity of the human aquaporin 4 (hAQP4) and the  permeation properties of drugs through the cell membrane as well as on  the related problem of modelling the membrane/water interface. On the  more applicative we investigated the application of conjugated polymers  in the fabrication of organic thin film transistors. 2) Study of the  brain functional connectivity, by network theory, in neurodegenerative  diseases. 3) Study of the structure-function relation in the healthy human brain, and corresponding parcellation of the brain. 4) Diagnostic  and prediction of the outcome of treatment in the melanoma cancer, using  Big Data analysis on complex biomedical data. 5) Study of the  heart-brain interaction by information theory tools.

 

FIELDTURB – Fields and particles in turbulence and complex fluids 
The research activity is generally focussed on the statistical mechanics of fluids in out-of-equilibrium conditions and with complex features. The main topics are currently: non-equilibrium statistical mechanics and the dynamics of complex fluids and active matter. We studied the general behavior of fluctuations in field models for quenching processes finding singular behavior for large deviations functions. The collective behavior of systems of active particle has been analyzed in the context of a Langevin approach together with the analysis of diffusion, effective temperature, and velocity fluctuation properties.
Phase separation of liquid-vapor systems have been analyzed by Lattice Boltzmann Methods and we obtained preliminary results for cavitation induced by flow in geometries with restriction. In the near future we shall consider the dynamical behavior of tracers coupled to active matter studying the dependence of their diffusion properties on the size and concentration of the active suspension. The tracer effective temperature will be also analyzed and compared with that coming from the fluctuation-dissipation relation of the system without tracers. The existence and the properties of large deviation functions in a system of active dumbbells will be studied considering the velocity and entropy production behavior. Lattice Boltzmann Methods will be applied to study cavitation induced by flow in geometries with restrictions and with walls having different wetting properties. The behavior of topological defects in cholesteric liquid crystal droplets in a homogeneous background will by studied by hybrid LBM.

 

Attività di Bari

Coordinatore: Dott.ssa Sonia Tangaro

 

Attività RIVELATORI

 

  1. NEMEIDE (New Methodology for diamond UV Detectors”)
    1. Realizzazione di fotocatodi per la rivelazione di radiazione  UV a film di diamante a partire da polveri nano-cristalline
    2. Attività per la messa a punto nei laboratori della Sezione INFN di Bari di una procedura di realizzazione di fotocatodi a base di film di diamante depositati a bassa temperatura (Tamb-120 °C) che presentano proprietà NEA (Negative Electron Affinity).
    3. Tecnica innovativa di deposizione spray di polvere di diamante per la realizzazione di fotocatodi, da utilizzarsi per la rivelazione di fotoni UV, per tutte quelle applicazioni in esperimenti e strumenti di misura di uso comune che richiedono l’uso di un fotorivelatore UV. (Italian Patent 102015000053374)
    4. Collaborazione CNR-Nanotec-Sezione di Bari

 

  1. MPGD_NEXT: Sviluppo di rivelatori a gas di tipo Micro Pattern, per applicazioni in Fisica delle Alte Energie, applicazioni di Medical Imaging, rivelazione di raggi-X e neutroni.
    1. Suddiviso in 4 sotto-attività che prevedono:
      1. la costruzione di strutture innovative di rivelatori a GEM e MicroMegas nei settori suddetti, con caratteristiche spinte di risoluzione spaziale e temporale.
      2. la progettazione di un’elettronica di Front-End per la lettura dei segnali dei rivelatori proposti, progettata per l’analisi della carica e del timing per la lettura di segnali veloci da usarsi come trigger nei grandi apparati
      3. lo sviluppo di un innovativo sistema di distribuzione delle Alte Tensioni per l’alimentazione dei rivelatori proposti
    2. Collaborazione: Sezioni di Bari, LNF, Napoli, Roma, Trieste

 

  1. MPGD__FATIMA: Sviluppo di innovative strutture di MPGD con capacità temporali spinte per applicazioni sia in ambito HEP che per applicazioni mediche
    1. Attività vincitrice di un “Grant Giovani 2016” , finanziata dalla Commissione Scientifica Nazionale del Gruppo 5
    2. Studio fatto in collaborazione con un Gruppo del CERN che ha portato alla condivisione di un Brevetto Internazionale

 

Attività di Fisica Medica
 

  1. NEXTMR
    1. Attività di elaborazione immagini e analisi dati provenienti da RMN per applicazioni in campo medico.
    2. Collaborazione: Fondazione IMAGO7, Pisa; IRCCS S.Martino, Genova; Ospedali Riuniti, Trieste; IRCCS Fondazione Stella Maris, Pisa; Azienda Ospedaliera Universitaria Policlinico, Palermo;

 

Attività Acceleratori

  1. BEAM4FUSION
    1. L'esperimento Beam4fusion si propone di sviluppare sia sorgenti di ioni e tecniche acceleratoristiche sia rivelatori di neutroni, a supporto dello sviluppo di applicazioni di fasci intensi a problemi industriali ed energetici, in particolare nell'ambito della collaborazione INFN al consorzio RFX, per la costruzione della ''test facility" degli iniettori di neutri di ITER
    2. Collaborazione: Bari, LNF, LNL, Milano, Milano Bicocca

Attività Beni Culturali

  1. CHNET:  
    1. Meccanismi di produzione della luminescenza e delle caratteristiche fisiche degli stati che nel cristallo la determinano. Irraggiamenti alfa con spettri energetici simili a quelli naturali con fasci a dose controllata e studio del coefficiente k (coefficiente di proporzionalità tra dose alfa e luminescenza) in funzione dell’energia e dose delle particelle alfa utilizzate. Danneggiamenti a dosi più elevate di particelle alfa per studiare con tecniche convenzionali gli effetti del danneggiamento sul materiale.
    2. Collaborazione: Bari, Catania, Ferrara, Firenze, LNS, Milano Bicocca, Torino

 

Elettronica

 

  1. CHIPIC65:

The CHIPIX65 project has the purpose of exploiting the CMOS 65nm technology on the very front-end electronics for use at future colliders, building core elements in digital and analog electronics and understanding and solve chip integration issues that are particularly important when a sophisticated chip digital circuitry, with an unprecedented amount of transistors, has to be integrated with the very front end analog electronics. Moreover, the radiation hardness of the technology has to be characterized and understood, in particular studying how the performance of electronics are modified, and special circuitry has to be developed to cope with Single Event Upset. We have decided to choose a heavily focused R&D in order to have clear goals and deliverables and an evaluation of the final achievements, implementing the technology on a detector of great interest for the HEP and the INFN, where the requirements on the front end are pushed to the frontier The primary goal of this three years project is to put the basis for the development of an innovative CHIP for a PIXel detector, using a CMOS 65nm technology for the first time in HEP community, for experiments with extreme particle rates and radiation at future High Energy Physics colliders. This effort is shared at international level with the RD53 Collaboration. CHIPIX65 institutes are part of the funding institutions of RD53 and several key roles of the collaboration are covered by CHIPIX65 members. In the three year of the project new circuits will be built and characterized, a digital architecture will be developed and eventually a final assembly of a first prototype will be made

Attività Interdisciplinare

  1. PICS:

L'esperimento PICS (Plenoptic Imaging with Correlations) ha l'obiettivo di progettare dispositivi per imaging plenottico che operano attraverso la misura di correlazioni di intensità della luce, e sviluppare loro applicazioni. La peculiarità dell'imaging plenottico consiste nella possibilità di ricavare al tempo stesso informazioni sulla distribuzione spaziale e sulla direzione della luce nella scena osservata. A tal fine, PICS prevede lo svolgimento di attività, sia teorica sia di laboratorio, orientata all'ideazione, alla simulazione, al test e all'ottimizzazione di setup in grado di acquisire immagini plenottiche, con particolare attenzione alle applicazioni nella microscopia e nell'analisi di tracce di particelle. Inoltre, parte della ricerca è volta allo sviluppo di metodi di analisi delle immagini che consentono di ridurre i tempi di acquisizione. L'esperimento è finanziato dalla Commissione Scientifica Nazionale 5 attraverso un grant per giovani ricercatori assegnato nel 2017.

 



 

 

 

 

Attività di Bari

Coordinatore: Salvatore My

 

CMS 

CMS

Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra è un acceleratore di particelle, con una circonferenza di 27 Km, progettato per far collidere due fasci di protoni di alta intensità ad una energia massima di 14 TeV nel centro di massa.

CMS (Compact Muon Solenoid) è uno dei 4 esperimenti posti lungo il fascio di LHC ed ha come obiettivo principale la ricerca del bosone di Higgs e di fenomeni fisici non predetti dal Modello Standard ma da sue possibili estensioni, come ad esempio la Supersimmetria.

L'apparato sperimentale di CMS ha una struttura a “scatola cinese” e i suoi rivelatori sono immersi in un forte campo magnetico di 4T realizzato grazie al più grande solenoide superconduttore mai realizzato al mondo capace di immagazzinare un’energia di 2,4GJ. CMS è stato disegnato per ottenere massima efficienza e precisione nella rivelazione di fotoni, elettroni, muoni, leptoni tau, jet, jet originati da quark b ed energia mancante indice della presenza di particelle neutre elusive. L’ apparato è quanto più ermetico possibile e arriva a coprire in angolo fino a circa 1° dalla linea dei fasci. Se pure di grandi dimensioni rispetto ad esperimenti del passato (15 m di diametro per 22 m di lunghezza e un peso pari a 14500 t) CMS è un apparato elegantemente compatto.

L’INFN è fortemente coinvolto in CMS, circa 250 fisici e ingegneri provenienti da 14 Sezioni e 2 Laboratori Nazionali lavorano all’esperimento. In particolare frazioni significative del sistema di rivelazione per muoni (sia DT che RPC), del calorimetro elettromagnetico e del tracciatore centrale a strisce di silicio sono stati realizzati in Italia. Una ampia ed esaustiva descrizione dell'esperimento è riportata nel menù posto alla sinistra e denominato "L'esperimento CMS".

 

TOTEM

Il programma di fisica di TOTEM  è dedicato alla misura di precisione della sezione d'urto totale e della sezione d'urto differenziale protone-protone, nonché allo studio approfondito della struttura del protone che è ancora scarsamente compresa. Lo studio dei processi di fisica nella regione molto vicino al fascio di particelle (regione in avanti) è complementare ai programmi degli esperimenti general purpose di LHC e richiede rivelatori adeguati.

La collaborazione TOTEM ha dovuto investire pesantemente nella progettazione di sensori sofisticati, caratterizzati da un’elevata accettanza per particelle prodotte in avanti e da una notevole resistenza ai danni da radiazione. Tutti i rivelatori dell'apparato sperimentale rivelano particelle cariche emesse dalle collisioni protone-protone nel punto di interazione IP5 e hanno capacità di trigger che permettono la selezione di eventi specifici online.

Sono disponibili diversi argomenti di tesi connessi alle attività di competenza del gruppo. Per avere maggiori informazioni, gli studenti interessati sono pregati di contattare i docenti afferenti all'esperimento.

LHCb


In origine, subito dopo il Big Bang, si ritiene che materia e antimateria fossero presenti con uguale abbondanza, e quindi si pensa che le due forme fossero intercambiali, o simmetriche; eppure, oggi, tutto ciò che ci circonda (pianeti, stelle, galassie) è costituito di sola materia.

LHCb si propone di indagare alcuni aspetti di questa asimmetria.
LHCb è un esperimento progettato per misurare le differenze di comportamento esibite da materia e antimateria all'energia di LHC.
Mediante il suo rivelatore, LHCb registra il decadimento dei mesoni-b: particelle contenenti quark b (o beauty) o anti-quark b. Si tratta di particelle prodotte in grande quantità nelle collisioni di alta energia dei protoni dei fasci di LHC.
I mesoni-b non sono presenti nell'Universo attuale, perché sono particelle instabili, mentre dovevano essere piuttosto comuni, subito dopo il Big Bang. Una volta generati in laboratorio i mesoni-b esibiscono una dinamica spettacolare per la durata infinitesima della loro esistenza, per poi decadere, inesorabilmente, in altre particelle, più leggere.
I fisici ritengono che dallo studio e dalla comparazione dei decadimenti dei mesoni e dei corrispondenti anti-mesoni, costituiti rispettivamente da quark b e anti-b, è possibile ottenere ulteriori importanti informazioni sui meccanismi che permettono di distinguere in natura la materia dall'antimateria: benché la differenza di comportamento appaia invero sottile.

Kloe

L'esperimento KLOE e DAFNE, la fabbrica di mesoni Φ
Nel 1991 l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha approvato il progetto per l'avvio in Italia dell'indagine sperimentale di quella che i fisici delle particelle elementari chiamano "fisica dei K". Avanzamenti molteplici nella conoscenza delle interazioni fondamentali e nelle tecnologie di sperimentazione sono il risultato della ricerca svolta in questo settore.
L'originalità tecnologica dell'apparato sperimentale
Per ottenere le misure di precisione richieste per l'avanzamento della conoscenza scientifica, sono stati studiati e realizzati rivelatori di particelle elementari con caratteristiche assolutamente peculiari ed un sistema per l'acquisizione e l'elaborazione dei dati sperimentali in grado di trattare in modo affidabile e continuo migliaia di eventi al secondo.
L'indagine sperimentale a KLOE
La ricerca si è articolata attraverso una serie di attività svolte in campi specialistici diversi tutte necessarie per ottenere una comprensione accurata e nuova dei fenomeni fondamentali. Il tessuto di competenze originali presupposto dalla ricerca scientifica di base di successo rappresenta una chiave interpretativa importante per capire l'interesse per la sperimentazione nel campo delle particelle elementari.
I risultati scientifici
Grazie alle caratteristiche uniche delle particelle prodotte a DAFNE, alla sensibilità dell'apparato sperimentale e all'elevato numero di eventi raccolti, è stato possibile produrre una serie di risultati rilevanti, primo fra tutti il raggiungimento di precisioni della frazione del per cento nelle misure dei decadimenti dei kaoni e delle loro vite medie.

Ship

The SHiP Experiment is a new general-purpose fixed target facility at the SPS to search for hidden particles as predicted by a very large number of recently elaborated models of Hidden Sectors which are capable of accommodating dark matter, neutrino oscillations, and the origin of the full baryon asymmetry in the Universe.

Specifically, the experiment is aimed at searching for very weakly interacting long lived particles including Heavy Neutral Leptons - right-handed partners of the active neutrinos; light supersymmetric particles - sgoldstinos, etc; scalar, axion and vector portals to the hidden sector.The high intensity of the SPS and in particular the large production of charm mesons with the 400 GeV beam allow accessing a wide variety of light long-lived exotic particles of such models and of SUSY. Moreover, the facility is ideally suited to study the interactions of tau neutrinos.

RD51

The proposed R&D collaboration, RD51, aims at facilitating the development of advanced gas-avalanche detector technologies and associated electronic-readout systems, for applications in basic and applied research.

The main objective of the R&D programme is to advance technological development and application of Micropattern Gas Detectors.

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