Laboratori Nazionali del Sud

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Fisica teorica

L'attività di ricerca del gruppo teorico dei LNS si inquadra all'interno dell'ampio settore della Fisica Nucleare che mira a comprendere le proprietà dei nuclei e della materia nucleare, dalle condizioni normali alle situazioni estreme di densità e temperatura che si possono ritrovare nel corso dell'esplosione di una supernova, negli oggetti stellari compatti, durante l'evoluzione dell'Universo primordiale e nelle collisioni fra ioni pesanti nelle macchine acceleratrici di ioni o nei "colliders".
I nuclei sono sistemi a molti corpi molto complessi governato da tre delle quattro interazioni fondamentali (forza forte, forza debole e forza elettromagnetica). La comprensione delle loro proprietà continua ad essere una sfida per fisici teorici e sperimentali. Una teoria adeguata dovrebbe essere in grado di descrivere non solo gli spettri nucleari, ma anche i vari tipi di transizione, dettati dall'interazione elettromagnetica, debole o forte, che governano l'eccitazione di questi livelli nucleari nel corso di una reazione nucleare o descrivono il processo di decadimento verso lo stato fondamentale. Inoltre, il comportamento di materia nucleare in varie condizioni di densità, temperatura, asimmetria neutrone-protone, che possono realizzarsi nelle stelle compatte (le stelle di neutroni, ad esempio) è estremamente affascinante. Poter comprendere per intero il diagramma di fase della materia nucleare, caratterizzandone l'Equazione di Stato, è fra gli scopi più importanti dello studio delle reazioni nucleari e, in particolare, degli esperimenti con ioni pesanti.

L'attività teorica dei LNS è inserita all'interno di tre progetti nazionali (Iniziative Specifiche) dell'INFN (vd di seguito descrizione e link alle relative pagine web): STRENGTH (Structure and REaction of Nuclei: toward a Global THeory), SIM (Strongly Interacting Matter: matter under extreme conditions), NUMAT (NUclear MATter and Neutron Star Structure).

Dal punto di vista teorico, questa comprensione approfondita delle proprietà dei nuclei e di materia nucleare può essere ottenuta ricorrendo a teorie "effettive" (o "efficaci"). In questo tipo di trattazione, quando si ha a che fare con sistemi complessi, è possibile eliminare un certo numero di gradi di libertà introducendo la cosiddetta interazione "effettiva", che è generalmente un funzionale della densità nucleare e dell'impulso. Questi modelli, come ad esempio le teorie del trasporto che utilizzano interazioni efficaci, si prestano a fornire una descrizione unificata delle vibrazioni nucleari di piccola ampiezza, come le risonanze giganti, e delle collisioni fra ioni pesanti. Un'intensa attività di questo tipo è attualmente svolta nell'ambito del progetto nazionale STRENGTH, in collaborazione con vari gruppi di ricerca, nazionali ed esteri.

La conoscenza dell'energia di simmetria nell'equazione di stato della materia nucleare, i.e. del comportamento della materia nucleare asimmetrica in carica, costituisce uno dei problemi principali della fisica nucleare moderna. La sua conoscenza comporta profonde conseguenze per lo studio della distribuzione dei neutroni nei nuclei stabili ed esotici e le diverse aree della fisica nucleare dalle reazioni tra ioni pesanti, astrofisica nucleare ai test del Modello Standard attraverso la violazione della parità negli atomi. Il nostro gruppo teorico è impegnato nella simulazione delle reazioni nucleari a basse energie, quali fusione, eccitazione di moti collettivi, reazioni di transfer fino alla multiframmentazione con particolare riferimento ai sistemi ricchi di neutroni. Tale studio globale delle risonanze giganti, come anche dinamiche collettive di grande ampiezza, è di grande rilevanza per raggiungere una descrizione unificata delle proprietà nucleari e in particolare una determinazione del comportamento dell'energia di simmetria. Il gruppo è coinvolto nello studio del suo impatto sulla struttura delle stelle di neutroni all'interno del progetto nazionale NUMAT.

Negli acceleratori di particelle è possibile far collidere ioni pesanti ad energie tali da creare un nuovo stato della materia: il plasma di quark e gluoni. Lo scopo è di studiare le proprietà di tale stato della materia che ha permeato i primi microsecondi dopo il Big-Bang e comprendere come avviene la transizione di fase che porta alla materia ordinaria che costituisce il nucleo della materia atomica. Il gruppo teorico dei LNS ha esteso le tecniche teoriche della fisica nucleare a tale regime ultra-relativistico. In particolare le equazione cinetiche del trasporto sono in grado di descrivere l'evoluzione della materia creata negli esperimenti al LHC-CERN di Ginevra e al RHIC-BNL a Long Island, fornendo un interpretazione dei risultati e permettendo di suggerire nuove misure. Il gruppo partecipa al progetto nazionale SIM dedicato a tali studi in collaborazione con diversi istituti internazionali.

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