TAsP

Il gruppo di ricerca in Fisica Teorica delle Astroparticelle (TAsP) dei LNF porta avanti un vasto e diversificato programma di ricerca al crocevia tra fisica delle particelle, astrofisica e cosmologia. Livelli più profondi di comprensione teorica sono chiaramente richiesti da un certo numero di fenomeni ancora non spiegati, tra cui l’origine delle masse e dei mixings dei neutrini, l’enigma della materia oscura e dell’energia oscura, l’asimmetria fra materia e antimateria osservata dell’Universo, l’origine e gli spettri dei raggi cosmici di alta energia.

Negli ultimi anni, il gruppo LNF TAsP ha esplorato varie aree della fisica delle astroparticelle, dalla costruzione di modelli di materia oscura alla fenomenologia del dark sector contenente ipotetici candidati per la materia oscura, alla fisica degli assioni, e ha sviluppato possibili spiegazioni teoriche per l’origine dell’asimmetria cosmologica materia-antimateria, basate sul meccanismo della leptogenesi.

• Dark Sectors. In sinergia con i colleghi dell’esperimento LNF PADME, il gruppo ha esplorato i vantaggi dell’utilizzo di fasci di positroni come strumento per la produzione di nuove ipotetiche particelle leggere e debolmente accoppiate. In particolare, è stato dimostrato che la produzione risonante di un tipo di particelle conosciute come dark photons (fotoni oscuri) attraverso l’annichilazione del positrone su elettroni atomici rappresenta un processo di fondamentale importanza, il quale deve essere sempre incluso nello studio della produzione di dark photons, non solo a PADME, ma anche in esperimenti che utilizzano fasci di elettroni o di protoni. La regione blu nella figura fornisce un esempio di una nuova regione nel piano massa-accoppiamento che è diventata sperimentalmente accessibile solo dopo aver considerato la produzione risonante di dark photons. Per quanto riguarda il futuro, il gruppo TAsP dei LNF sta esplorando la sensibilità dell’esperimento PADME nel cercare con questa tecnica il dark photon di 17 MeV di massa invocato per spiegare un’anomalia intrigante rilevata nelle transizioni nucleari del 8Be e più recentemente anche del 4He.
• Fisica degli Assioni. Gli assioni sono particelle ipotetiche la cui esistenza è stata congetturata per spiegare perché le interazioni forti conservano la simmetria carica-parità. Il gruppo teorico TAsP svolge ricerche originali su modelli di assioni non convenzionali, elaborando le basi teoriche e analizzando le prospettive sperimentali. Ad esempio, la possibilità di assioni “astrofobici”, ovvio assioni che possano eludere tutti i vincoli più stretti implicati da osservazioni astrofisiche, è un’idea sviluppata a Frascati, insieme ai collaboratori internazionali del gruppo. La figura rappresenta una visione artistica dell’interazione tra un assione e due fotoni, il processo più importante attraverso il quale sarebbe possibile rilevare gli assioni astrofobici.
• Fisica dei Neutrini. Il puzzle riguardante la struttura delle masse dei neutrini e i loro mixings viene spesso affrontato considerando matrici di massa per i neutrini con un certo numero di elementi nulli, e questo perché una riduzione nel numero di parametri liberi aumenta il potere predittivo. Le simmetrie che possono implicare alcuni elementi nulli possono anche imporre un tipo più generale di strutture dove nessun elemento è nullo, ma allo stesso tempo mantengono lo stesso potere predittivo. Recentemente il gruppo ha determinato e classificato tutte le simmetrie Abeliane che possono produrre questo risultato e che sono state definite “simmetrie nascoste”. Nell’immagine, la regione blu a forma di campana rappresenta la regione dei valori di due parametri del settore neutrinico (l’angolo di mixing θ23 e la fase δ) preferiti dai risultati sperimentali, mentre la regione grigio scuro raffigura la previsione di un modello a simmetria nascosta. Si tratta di una previsione piuttosto precisa che verrà testata sperimentalmente nei prossimi anni.
• Leptogenesi. La teoria generale della leptogenesi come meccanismo per spiegare l’asimmetria cosmologica materia-antimateria, con attenzione alle sue conseguenze fenomenologiche più sorprendenti e includendo tutti i più recenti perfezionamenti, continua a essere uno dei principali temi di ricerca del gruppo, che ha ormai una leadership scientifica riconosciuta a livello internazionale in questo campo. Recenti sviluppi teorici includono studi degli effetti di un’evoluzione cosmologica non standard (come un periodo di espansione accelerata) sulle stime numeriche dell’asimmetria materia-antimateria prodotta tramite leptogenesi.