Coordinatore: Antonello Ortolan
Telefono: 049 8068421
Mail: antonello.ortolan@lnl.infn.it
Sito della Commissione Scientifica Nazionale 2
La CSN2 gestisce e finanzia gli esperimenti legati alla fisica astro-particellare. Si articola nello studio delle proprietà dei neutrini, della materia ed energia oscura e delle onde gravitazionali. Affronta temi come il rapporto materia-antimateria nell’Universo, i fenomeni cosmici, la costituzione della materia e gli effetti della relatività generale e della meccanica quantistica.
I laboratori di Legnaro hanno una lunga tradizione nel campo di ricerca INFN denominato Astroparticelle, Neutrini e Fisica Quantistica che non prevede l’utilizzo di acceleratori di particelle. In particolare, si tratta di esperimenti di fisica che sono alla frontiera di sensibilità per la rivelazione di campi o particelle a bassa energia. Gli esperimenti attuali spaziano dallo studio della fisica del neutrino (CUORE/CUPID, T2K) alla ricerca diretta di materia oscura (QUAX, DARKSIDE) o indagini sul vuoto quantistico (VMB@CERN). Lo scopo di questi esperimenti è la verifica di teorie di fisica fondamentale (Meccanica Quantistica, Relatività Speciale e Generale) e dei loro concetti (massa ed energia o spazio e tempo) con la maggiore accuratezza possibile. Spesso questo richiede di raggiungere i limiti di sensibilità permessi dalla fisica quantistica. Oltre a questo, il know-how tecnologico del Servizio Scienza e Tecnologia dei Materiali di Legnaro è importantissimo per l’ultra pulizia dei materiali e deposizioni di altissima qualità che sono due richieste basilari per molti esperimenti in questo campo di ricerca.
Index
- Fisica dei neutrini
- Ricerche di materia oscura
Responsabile nazionale di CUORE: Carlo Bucci (LNGS)
Responsabile nazionale di CUPID: Fabio Bellini (Roma 1)
Responsabile locale: Giorgio Keppel
The Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) is an experiment located at the Gran Sasso National Laboratory in Assergi, Italy. The CUORE collaboration is an international group of physicists from many countries, primarily from Italy and the US. The main focus of the experiment CUORE is the observation of the neutrinoless double beta decay. This discovery could shed light on the absolute neutrino masses and on their mass hierarchy. The apparatus of CUORE is based on a very sensitive temperature detector (bolometer), constituted by ultra-pure crystals of tellurium dioxide (TeO2). The Legnaro group carried out the ultra-cleaning procedure of the copper used to hold the bolometric structure of TeO2
CUPID is the “CUORE Upgrade with Particle Identification”, a research and development project for the CUORE detector. After the successful ultra-cleaning procedures of the experiment CUORE in the past years, the Legnaro group continues its collaboration with the CUPID experiment.
T2K
Responsabile nazionale: Maria Gabriella Catanese (Bari)
Responsabile locale: Fabiana Gramegna
T2K (Tokai to Kamioka, Giappone) è un esperimento a lunga baseline per lo studio dei neutrini. È stato ideato per investigare la comparsa di neutrini elettronici in un fascio di neutrini muonici (oscillazioni di neutrini). L’acceleratore di J-PARC (Tokai) fornisce un fascio di neutrini muonici molto intenso, che viaggia per 295 km e arriva al rivelatore lontano Super-Kamiokande. Le caratteristiche iniziali del fascio di neutrini, essenziali per misure accurate dell’oscillazione, sono ottenuti grazie al rivelatore vicino (ND280), che permette di misurare la percentuale iniziale di neutrini e antineutrini, il flavour dei neutrini e lo spettro energetico del fascio iniziale. Attualmente l’obiettivo principale dell’esperimento T2K è la ricerca della violazione di carica-parità. Per ottenere delle misure accurate del parametro di CP, riducendo gli effetti delle incertezze sistematiche sull’analisi T2K delle oscillazioni, è stato intrapreso un vigoroso programma di upgrade del rivelatore ND280. In particolare, il rivelatore P0D sarà sostituito da due camere a proiezione temporale (HA-TPC) poste orizzontalmente con al centro un target attivo di carbonio (Super-FGD) e da sei piani scintillatori per misure di tempo di volo (ToF).
Il gruppo legnarese, in collaborazione con il gruppo padovano, sta lavorando allo sviluppo delle nuove HA-TPC e allo sviluppo del software di ricostruzione e calibrazione dei dati rivelati nelle TPC. Attualmente, i test sul secondo prototipo di TPC sono in corso ai LNL.
QUAX (and SQMS)
Responsabile Nazionale: Giovanni Carugno (Padova)
Responsabile locale: Giuseppe Ruoso
L’esperimento QUAX (QUaerere AXion) si occupa di ricerca diretta di materia oscura (Dark Matter). L’attività sperimentale è iniziata come studio di ricerca&sviluppo per realizzare un rivelatore di materia oscura basato sulla conversione di assioni in fotoni (QUAXaγ) o di assioni in magnoni (QUAXae) in cavità a radiofrequenza. La parte di esperimento QUAXaγ e’ stata finanziata completamente mentre QUAXae è tuttora nella fase ricerca&sviluppo. Due rivelatori sono attualmente in costruzione presso i Laboratori di Legnaro e di Frascati. La collaborazione QUAX è costituita da ricercatori e tecnici di LNL, LNF e delle sezioni INFN di Padova, Salerno e Trento. Inoltre la collaborazione partecipa all’iniziativa congiunta tra INFN e Fermi National Laboratories (FNAL) “Exploiting Quantum Technologies for detection of BSM Particles and signals from Very Early Universe” del centro SQMS (Superconducting Quantum Materials & Systems) che è dedicato all’avanzamento delle scienze e tecnologie quantistiche. for advancing quantum science and technology.
Gli assioni sono ipotetiche particelle pseudo-scalari introdotte per risolvere il problema della mancata violazione di CP nella CromoDinamica Quantistica (QCD) e che potrebbero essere i costituenti della materia oscura galattica. La teoria prevede che gli assioni si accoppino con un campo magnetico statico oppure che interagiscano con lo spin dell’elettrone in materiali magnetizzati. In entrambi i casi, il risultato di questi processi è l’emissione di radiazione elettromagnetica a radiofrequenza. Utilizzando cavità e rivelatori molto sensibili è possibile rilevare questa radiazione. Per raggiungere la sensibilità richiesta per le misure di materia oscura, entrambi gli schemi sperimentali richiedono il raffreddamento a temperature ultra-criogeniche di cavità e materiale magnetizzato, e l’utilizzo di sensibilissimi amplificatori di radiofrequenza (Josephson Parametric Amplifier, Travelling Wave Amplifier or Transmon Qubit Photon Counter).
DARKSIDE
Responsabile nazionale: Gemma Testera (Genova)
Responsabile locale: Oscar Azzolini
The DarkSide collaboration is an international affiliation of universities and labs seeking to directly detect dark matter in the form of weakly interacting massive particles. The collaboration is planning, building and operating a series of liquid argon time projection chambers (TPCs) that are employed at the Gran Sasso National Laboratory in Assergi, Italy.
DarkSide-50 is a dual-phase argon Time Projection Chamber (TPC), developed for use in a search for direct evidence of dark matter. The experiment is hosted in Hall C of the Laboratori Nazionali del Gran Sasso, underneath the Gran Sasso e Monti della Laga National Park, and has been collecting data since October 2013.
DS-20k is a two-phase LAr detector with a 50 tonnes active volume. It will be installed in LNGS Hall-C in 2022 and will either detect WIMP dark matter or reach a 90% exclusion sensitivity to WIMP-nucleon cross sections of 7.4×10-48cm2 at the mass of 1TeV/c2.
VBM@CERN
Responsabile Nazionale: Guido Zavattini (Ferrara)
Responsabile Locale: Giuseppe Ruoso
VMB@CERN (Vacuum Magnetic Birefringence at CERN) is an optical polarimeter whose aim is to directly measure, for the first time, the low energy light-by-light interaction. Such an effect is due to quantum vacuum fluctuations (as predicted by QED) or to low mass particles having a two-photon vertex, a remarkable example being the axion, which is also a dark matter candidate. In the proposed experimental configuration, the vacuum becomes birefringent in the presence of a strong magnetic field, and a laser beam changes its polarisation state by traversing it. The birefringence predicted by QED is Δn=4×10-24 for B = 1 T. VMB@CERN is the successor of PVLAS, an experiment that was in operation first at LNL and then in Ferrara. PVLAS at the moment hold the best limit on such an intriguing effect. During the period 2020-2021 an R&D phase is taking place at the Physics Department and INFN Section of Ferrara, with the aim of building a demonstrator using a novel detection scheme. In case of positive results, the demonstrator will be moved to CERN and integrated with a spare LHC magnet. This last phase should take place in the years 2022-2025.
Vacuum is classically defined as an empty region of space with no matter and radiation. According to quantum physics, far from being empty, the vacuum is filled with quantum fluctuations, which are temporary random change in the amount of energy in a point in space, as prescribed by Heisenberg’s uncertainty principle. Thus, quantum vacuum must have physical properties that can be tested in dedicated experiments