ASTROFISICA DEGLI OGGETTI COMPATTI

The course will introduce the nature of astrophyisical compact objects and their emission, both from a theoretical and observational point of view. The program of the lectures is:
a) Introduction to compact objects: white dwarfs, neutron stars and black holes.
b) Black holes: general properties. Schwarschild and Kerr metrics
c) Neutron stars. Pulsars: general properties and emission mechanisms.
Pulsars as General Relativity laboratories
 

Introduzione alla Fisica degli Assioni

Riassunto del programma (syllabus):
Il programma offre un'introduzione completa al campo della fisica degli assioni, coprendo una gamma di argomenti dalla fisica delle particelle all'astrofisica e alla cosmologia, inclusi i principi di rilevamento degli assioni. È rivolto a un gruppo eterogeneo di studenti interessati sia agli studi teorici che a quelli sperimentali.
Programa dettagliato:
Parte 1: Assioni e Fisica delle Particelle (circa 10h)
•  Il problema della violazione di CP nel settore forte e la struttura del vuoto in QCD.
•  Meccanismo di Peccei-Quinn: Proposto come soluzione al problema della violazione di CP nel settore forte, questo meccanismo prevede l'esistenza di una nuova particella pseudoscalare, l'assione.
•  Potenziale chirale relativo al campo dell'assione: Il potenziale dà origine alla massa dell'assione e al suo accoppiamento con i fotoni,
•  Lagrangiana efficace dell'assione:
•  Modelli ultravioletti di riferimento per gli assioni: per esempio KSVZ (Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov) e DFSZ (Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky) sono due modelli ben noti che forniscono origini diverse per l'assione.
Parte 2: Assioni in Astrofisica (3h)
Parte 3: Assioni in Cosmologia (4h): assioni come candidati per la materia oscura e la loro influenza sull'evoluzione dell'universo.
Parte 4: Ricerche sperimentali degli assioni (2h): panoramica sui risultati sperimentali e sugi rilevatori progettati per scoprire gli assioni.
 

EVOLUZIONE DI GALASSIE E AGN AD ALTO REDSHIFT

Evoluzione di galassie e AGN ad alto redshift Formazione e
coevoluzione AGN/galassie. Nuove osservazioni e risultati.
Misura e storia delle Star Formation and Accretion Rates.
Funzione di luminosità: AGN e galassie.
Buchi neri supermassivi: funzione di massa.
Crescita di BH e galassie. AGN: Feedback. Getti radio. Merging e interazione.
Struttura su larga scala dell’Universo

Spettroscopia di plasmi astrofisici

-Notazione spettroscopica; Livelli energetici; Transizioni: regole di selezione

-Processi di base; Bilancio di ionizzazione

-Righe di emissione

-Righe di assorbimento; Estinzione da polvere

-Plasmi fotoionizzati
 

Statistica e metodi di machine learning per i dati climatici

Programma
L’obiettivo del corso è mostrare come le moderne tecniche di machine learning e deep learning possano essere utilizzate per analizzare grandi dataset climatici e per costruire modelli predittivi e generativi.
Dopo una breve introduzione alle caratteristiche specifiche dei dati climatici, spesso complessi, rumorosi e con scale temporali e spaziali multiple, verranno presentati casi d’uso reali come la previsione climatica, il downscaling e la generazione di scenari futuri, con esercitazioni pratiche su dataset reali. In questo contesto, si prevede anche di testare e discutere l’impiego di modelli AI recenti per la previsione meteorologica e climatica, come GraphCast, Aurora e altri modelli di nuova generazione, valutandone punti di forza e limiti.
Programma

• Come si analizzano i dati geofisci
• Metodi statistici per i dati geofisici
• PCA, FFT, wavelet.
• I dati netcdf e xarray
• Metodi di Machine leraning
• Random Forest, XGBOOST, Support Vector Machine
• Neural Networks, Covolutional Neural Network, 
• LSTM: Long-short term memory Neural Networks
• GNN: Graph neural networks
• Come si disegna un’esperimento di Machine Learning
• Indicatori, metriche e analisi.
• Modelli di AI per il clima e il meteo: Graphcast e Aurora

Analisi delle serie temporali

1) Si richiamano i principi di base della analisi di Fourier applicata e numerica: serie e trasformata di Fourier, spettro di energia e di potenza, autocorrelazione e mutua correlazione, e loro costruzione numerica.

2) Risposta impulsiva e armonica di un sistema.

3) Filtraggio di una serie temporale.

4) Serie temporali come campionamenti di un segnale continuo.
 

Fisica dei ghiacci planetari

Il ghiaccio nel Sistema Solare
Tecniche geofisiche per l'esplorazione delle croste ghiacciate nel Sistema Solare
Proprietà elettriche del ghiaccio
Il radar per lo studio dei ghiacci terrestri e planetari
Misure di laboratorio su campioni simulanti ghiacci planetari
 

PLANETOLOGIA EXTRASOLARE

La scoperta di quasi 4000 pianeti extrasolari, ha dato nuovo impulso alla ricerca astrobiologica permettendo di spaziare oltre l’ambito locale del  Sistema Solare. Inoltre le caratteristiche fisiche dei pianeti extrasolari stessi e le loro caratteristiche orbitali, così diverse da quelle del nostro Sistema Solare, hanno ormai messo in crisi il paradigma classico della formazione planetaria.
Il corso si prefigge lo scopo di descrivere le metodologie sperimentali che hanno permesso di scoprire l’esistenza dei corpi planetari in orbita intorno ad altre stelle oltre che il sole, i risultati fisici e statistici principali che sono stati ottenuti da queste scoperte e dallo studio dell’ambiente stellare, le conseguenze sullo studio dell’astrobiologia e sulla ricerca della vita in ambienti diversi dalla terra. In particolare vengono trattati i seguenti argomenti:

• I metodi di ricerca  dei compagni planetari di altre stelle oltre il sole
• Tecniche di osservazione delle atmosfere dei pianeti extrasolari
• Cenni sulla formazione planetaria e sulla teoria della migrazione, pro e contro delle due teorie del “core accretion” e del “disk instability”
• Principali risultati ottenuti nella ricerca dei pianeti extrasolari, cose note, cose non note e cose messe in crisi (proprietà statistiche, metallicità – formazione, proprietà orbitali, distribuzioni di massa, periodi ed eccentricità etc. etc.)
• La fisica dei pianeti giganti (Giove e Saturno come termini di paragone) e delle Brown Dwarfs. Verrà approfondita la tematica degli hot jupiter e come viene alterata la loro evoluzione a causa della prossimità della stella madre.
• La fisica dei pianeti terrestri e rocciosi, storia evolutiva della terra
• Il concetto di zona di abitabilità, sua definizione e sua estensione nel caso del Sole e nel caso piu’ generale di stelle di altri tipi spettrali. Completamento del concetto con l’evoluzione temporale della zona continuamente abitabile. Ampliamento e trasferimento del concetto di abitabilità alla Galassia.
• La ricerca della vita come problema astrofisico. Ricerca della vita nel Sistema Solare, i primi passi, gli esperimenti del Viking, Marte, Titano ed Europa. Definizione delle biosignatures, bioindicatori, e loro osservazione. I progetti per la ricerca della vita intelligente: SETI.

• Le bibliografie necessarie di cui ogni argomento é corredato

METEOROLOGIA SPAZIALE

Secondo la definizione dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), la meteorologia spaziale si riferisce alle condizioni della magnetosfera, della ionosfera e della termosfera terrestre indotte dal Sole e dal vento solare che possono influenzare il funzionamento e l’attendibilità dei sistemi e dei servizi tecnologici spaziali e terrestri. Questi effetti possono rivelarsi dannosi per cose e persone. Vista la multidisciplinarietà delle applicazioni, il tema è complesso ed è trattato a livello globale da gruppi di ricercatori con competenze in fisica, ingegneria, matematica, chimica, biologia e medicina.
Il corso offre una panoramica dei meccanismi fisici che innescano eventi estremi allo scopo di evidenziare la numerosità delle variabili in gioco e di rappresentare le competenze necessarie per sviluppare strategie efficaci di mitigazione e di previsione. Inoltre, il corso mette in evidenza le sfide scientifiche, tecnologiche e sociali ancora non risolte nell’ambito della meteorologia spaziale, fornendo anche esempi delle tecnologie più vulnerabili.

Indice

• Meteorologia Spaziale: scienza o servizio?
• Meteorologia e clima nello spazio circumterrestre
• Il Sole, il vento solare, la magnetosfera e la ionosfera
• Applicazioni: come prevedere e mitigare l’impatto della meteorologia spaziale sui sistemi di comunicazione e navigazione
• Programmi e servizi di meteorologia spaziale nel mondo

Problemi inversi in Geofisica

Questo corso è un'introduzione ai metodi di inversione in ambito geofisico.
Il corso tratterà sia della risoluzione di problemi lineari sia di quelli non lineari attraverso approcci deterministici quali il metodo dei minimi quadrati, la SVD,  e tecniche di regolarizzazione così come approcci puramente probabilistici come i metodi Monte Carlo basati su Catena di Markov.
La teoria è illustrata attraverso alcuni esempi tratti da problemi geofisici e la loro soluzione è discussa attraverso lo svolgimento in aula di algoritmi di inversione.

• Testi di Riferimento:

Tecniche di enhanced sampling

Il corso fornisce un’introduzione alle principali tecniche di enhanced sampling utilizzate per lo studio di sistemi molecolari caratterizzati da metastabilità e superfici di energia libera multimodali. L’obiettivo è fornire agli studenti sia le basi teoriche sia gli strumenti pratici per stimare energie libere e pathways di transizione a partire da simulazioni di dinamica molecolare.
Contenuti del corso:

1. Metastabilità e processi rari
2. Collective Variables
3. Umbrella Sampling e metodi di ricostruzione dell’energia libera
4. Metadynamics

Introduzione alla spintronica

1) Equazioni di diffusione accoppiate per le densità di carica e spin
2) Effetto di magnetoresistenza gigante (GMR)
3) Accoppiamento di spin orbita in metalli e semiconduttori (Rashba, Dresselhaus, etc.)
4) Effetto spin Hall estrinseco
5) Effetto spin Hall  intrinseco
6) Grafene e Isolanti Topologici

 

Metodi statistici

l corso approfondirà le metodologie statistiche con particolare attenzione alle loro applicazioni operative nell’ambito della ricerca fisica, illustrate attraverso esempi pratici. Particolare rilievo sarà attribuito ai procedimenti utilizzati per la determinazione di limiti superiori e inferiori.

FISICA DEL SAPORE - SPERIMENTALE

Definizione di sapore e fisica del sapore.

- Sapore e bosone di Higgs.
- Matrice CKM.
- Fisica del sapore oltre il modello standard
- Violazione del sapore leptonico.
- Introduzione alla violazione di CP.
- Violazione di CP. Misura sperimentale in NA48 e KLOE.
- Misura dell'angolo di Cabibbo per decadimenti di kaoni neutri e carichi.
- Decadimenti di kaoni rari e molto rari.
- Il meccanismo GIM e l'osservazione del quark charm.
- Vita media degli adroni charm.
- Decadimenti del sapore leptonico e semileptonico.
- Mixing di mesoni D.
- Asimmetrie nel decadimento dei mesoni charm
- Acceleratori ed esperimenti per studi di b physics.
- Mixing di mesoni B e violazione di CP.
- Misura di angoli e lati del triangolo unitario b.
- Misurazione sperimentale del mixing di Bd e Bs.
- Vite medie degli adroni B
- Ricerca di nuova fisica con decadimenti dei mesoni B e D.
- Il sapore leptonico nel modello standard.
- LFV oltre la SM.
- Mu-> e gamma e l'esperimento MEG.
- Prospettive future: proposta Mu2E
- Decadimento del Tau LFV nelle fabbriche B.
- Momenti di dipolo elettrico nella fisica BSM e loro misura.
 

FISICA DELLE ALTE ENERGIE ALLE MACCHINE ACCELERATRICI ADRONICHE

- Fisica degli acceleratori, rivelatori (lezione 1)
a) Trigger
b) rivelatori di tracce
c) Calorimetri
d) Spettrometro di Muoni
e) Monitor di luminosità
 
- Ricostruzione di oggetti (lezione 2)
a) Tracce
b) Getti
c) Elettroni e fotoni
d) Muoni
e) Energia mancante
 
- Misura della sezione d’urto trasversa (lezione 3)
a) vertice, accumulo, evento sottostante,
isolamento, rimozione di sovrapposizioni
a) Stima del fondo (Regioni di controllo, metodi ABCD, stima dei fondi basate sui dati, analisi indipendenti dalla regione di segnale)
 
- Misura della sezione d’urto trasversa (lezione 3, continua)
b) b-tag
c) Ottimizzazione dell'analisi
d) Tecniche di analisi multivariata
e) Interpretazione statistica, errori sistematici e statistici, scoperte, limiti,
parametrizzazione delle sistematiche, look-elsewhere effect.

- Cinematica, Diagrammi di Feynman (lezione 4)
- Generatori MC e Geant

- Fisica Elettrodebole (lezione 5)

a) Candele standard (risonanze di bassa massa, bosone W, bosone Z)
- QCD e Fisica del B (Lezione 6)
- Fisica del quark Top (Lezione 7)
- Fisica del bosone di Higgs (Lezioni 8, 9)
- Supersimmetria (Lecture 10)
- Fisica esotica
- Acceleratori futuri e prospettive (Lezione 11)
 

Interazioni adroniche ad alta energia

Ambiente sperimentale: ISR, SppS, Tevatron, RHIC, LHC.
Caratteristiche generali delle interazioni a piccolo impulso trasferito.
Produzione inclusiva di particelle. Sezione d’urto elastica, diffrattiva, totale.
Cromodinamica quantistica, quark e gluoni, fattori di colore.
Costante di accoppiamento a_S(Q²).
Scattering inelastico di leptoni. Funzioni di struttura e evoluzione in Q².
Densità dei partoni. Generatori Monte Carlo, parton shower.
Drell–Yan, produzione di bosoni W e Z.
Jet adronici, algoritmi di ricostruzione di jet, variabili di evento.
Produzione inclusive di jet, di-jet, jet-fotone, multi-jet.
Funzione di frammentazione dei jet.
Misure di a_S(Q²).
Collisioni di nuclei relativistici, quark-gluon plasma.
Caratteristiche generali delle collisioni nucleo-nucleo.
Segnali della formazione del quark-gluon plasma.

 

Corso avanzato sul Modello Standard

- Part I - Prof. Bonvini (Infn Roma 1)

1 Fundamentals of QCD
         - The Standard Model and the QCD lagrangian
         - Local, global and approximate symmetries of QCD
           - The QCD vacuum and the strong CP problem
 2 Perturbative QCD
        - The running of the strong coupling
        - Variable flavour number (renormalization) scheme
        - Infrared divergences in QCD
        - Collinear factorization and parton distribution functions
        - DGLAP evolution
        - Variable flavour number (factorization) scheme
        - PDF determination
        - All-order resummations
        - Divergence of perturbative expansions and Borel summation

- Part II Fisica del flavor e QCD sul reticolo - Prof.  V. Lubicz 6 hour (Roma Tre)

1) Fisica del flavor e sue motivazioni
       -  Domande aperte nel Modello Standard
       -  Il settore del flavor
       -  Fisica del flavor e ricerche di Nuova Fisica
2) Introduzione alla QCD sul reticolo
      -  La regolarizzazione sul reticolo
      -  L azione di QCD sul reticolo
      -  Simulazioni Monte Carlo e importance sampling
      -  Calcolo delle funzioni di correlazione
      -  Errori sistematici
3) Fisica del flavor sul reticolo
      - Correzioni di QED e effetti di rottura di isospin
      - Le masse dei quark e lo spettro adronico
      - L angolo di Cabibbo e il test di unitarieta
      - Correzioni di QED e effetti di rottura di isospin nei processi adronici

- Part III Electroweak physics - Prof. G. Degrassi 6 hour (Roma Tre)

Standard Model Review
    - Definition of the Fermi constant
    - The rho parameter
    - The custodial symmetry
    - Gaugeless limit of the Standard Model
Renormalization of the Standard Model
    - The  Delta r and Delta kappa parameters
    - The Ms bar and On-Shell renormalization schemes
Precision Physics
    - g-2
    - Indirect determination of the top and Higgs masses
    - Theoretical constraints on the Higgs mass
    - Higgs decays and production
 

Elementi di teoria dei gruppi e teorie di grande unificazione

- Grand Unified Theories: SU(5) and SO(10)
- Models of neutrino masses and mixing

COMUNICARE LA SCIENZA

Il corso si basa su attività pratiche e laboratori, a partire dall'analisi di casi studio di comunicazione scientifica che saranno presentati e discussi in italiano e / o in inglese (a seconda del contenuto)

 

Comunicare la scienza: parlare in pubblico (Modulo B del corso Comunicare la Scienza)

In questo corso di 6 ore ci concentreremo sulla comunicazione orale della scienza, dalle tecniche per parlare in pubblico alla preparazione dei materiali da presentare.
Per farlo, partiremo dalle linee guida generali della comunicazione scientifica apprese nel modulo 1 del corso Comunicare la Scienza, approfondiremo le tecniche per la comunicazione orale,
svolgeremo esercizi e realizzeremo alcune attività pratiche.  

 

Didattica della Fisica

 Il corso presenterà le idee fondanti e i principali risultati della ricerca in didattica della fisica che, negli ultimi decenni, ha sviluppato un insieme di metodi, conoscenze e applicazioni utili per chi voglia cimentarsi con l'insegnamento della fisica. Affronteremo alcuni degli aspetti fondamentali dell'insegnamento e dell'apprendimento della fisica: le difficoltà e le concezioni comuni degli studenti, gli esperimenti e il ruolo di modelli e analogie, la ricostruzione didattica dei contenuti, lo sviluppo di percorsi didattici, la formazione e lo sviluppo professionale dei docenti. 
L’insegnamento mira a promuovere nei corsisti la riflessione su come adattare i contenuti della fisica ad uno specifico contesto didattico, universitario o scolastico. 
Le attività didattiche sono svolte tramite lezioni dialogate, sviluppo di esperienze di laboratorio significative, discussioni e lavori di gruppo. 
 
 

Infrastruttura e metodologie di utilizzo di Sistemi di calcolo ad alte prestazioni.

Motivazioni e obbiettivi del corso: La moderna ricerca in fisica
richiede un uso intensivo di operazioni di calcolo che richiedono la
disponibilità di risorse informatiche che non si hanno a disposizione su
dispositivi personali ma sono reperibili su sistemi di calcolo avanzati
e condivisi quali Cloud, GRID e Cluster.
Il corso è rivolto ai giovani ricercatori interessati ad accedere alle
risorse di calcolo su architetture avanzate. In questo corso verranno
mostrate le infrastrutture e le architetture di calcolo condiviso ad
alte prestazioni e le tecniche di utilizzo efficiente di sistemi
multi-cores e sistemi avanzati di archiviazione di dati. Il corso sarà
svolto attraverso l’utilizzo di slide per la parte teorica e per la
parte pratica verranno messe a disposizione le risorse del cluster di
calcolo del Dipartimento e della sezione INFN.

Programma:
·       Introduzione ai sistemi di calcolo avanzati
·       Introduzione ai sistemi di scheduling e batch system.
·       I sistemi di archiviazione dei dati, architetture di file system
locali, di rete e paralleli.
·       Migrazione delle applicazioni su sistemi HPC.
·       Tecniche per la misurazione e l’ottimizzazione delle prestazioni
su sistemi HPC.

 

Introduzione all’analisi dei dati e al machine learning con Python

Acquisire competenze per l'implementazione al calcolatore di programmi ad alto livello nel linguaggio interpretato
Python. Conoscere i costrutti fondamentali di Python e la sua applicazione a casi d'uso legati al calcolo scientifico e
all'elaborazione dei dati.