M. Biassoni, C. Brofferio, S. Capelli, O. Cremonesi, E. Fiorini, L. Gironi, C. Gotti, M. Pavan, G. Pessina, E. Previtali, M. Sisti, F. Terranova, L. Zanotti

Forse la via più promettente per indagare alcune proprietà fondamentali del neutrino (massa, carattere alla Dirac o alla Majorana) è l'osservazione del Doppio Decadimento Beta senza emissione di neutrini (DDB-0nu), un raro decadimento nucleare che si suppone abbia vita media diversa da nuclide a nuclide ma comunque superiore a 1020 anni. La rivelazione di questo processo, finora mai osservato, fornirebbe una misura della massa del neutrino e proverebbe, al contempo, la natura di Majorana del neutrino stesso. L'esperimento CUORE, oggi in fase di presa dati ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (L'Aquila), utilizza un array di 988 bolometri per cercare il DDB-0nu del 130 Te. Un altro esperimento CUPID-0 studia invece il 82 Se con la stessa tecnica, ma sfruttando anche la scintillazione. Tanto CUORE che CUPID-0 potranno esplorare altri fenomeni fisici diversi dal DDB-0nu come interazioni di WIMPs, Assioni ... I macrobolometri sono anche oggetto di un'attività di R&D presso il Dipartimento di Fisica, pensando a possibili sviluppi futuri nel campo della ricerca del bb0n, della rivelazione delle WIMPs o per studi di fisica nucleare (decadimenti rari, studio di spettri beta ...).

F. De Guio, M. Dinardo, P. Dini, S. Gennai, A. Ghezzi, S. Malvezzi, L. Moroni, P. Govoni, M. Paganoni, D. Pedrini, T. Tabarelli de Fatis

L'esperimento CMS è stato progettato per studiare le caratteristiche delle collisioni protone-protone al collider LHC fino a energie di 14 TeV allo scopo di approfondire l'attuale conoscenza delle interazioni fondamentali. Durante il primo periodo di presa dati, terminato nel 2012, il programma sperimentale ha portato alla scoperta di un bosone scalare, detto di Higgs, quanto del campo scalare ritenuto responsabile della generazione delle masse delle particelle. Viceversa, nuovi fenomeni, come la produzione di particelle super-simmetriche, invocati sul piano concettuale per spiegare alcune proprietà delle interazioni fondamentali note o su base sperimentale come candidati corpuscolari per la materia oscura, non sono stati osservati alle energie (8 TeV) e intensità (5x1033 cm-2s-1) di fascio finora raggiunte. Accanto a queste linee di ricerca dominanti, il rivelatore, dal multiforme impiego, ha consentito di migliorare in modo decisivo la conosceza delle proprietà di alcune particelle già note, tra le quali, su tutte, il massivo quark top. La messe di dati raccolti e le potenzialità del rivelatore non lasciano tregua al continuo esercizio di elaborazione ed analisi dei dati di ricercatori e di impavidi dottorandi e laureandi coinvolti nel progetto. Ulteriori misure di precisione, in particolare sulle proprietà del bosone di Higgs, e ricerche più accurate e sensibili di nuovi fenomeni saranno possibili alla ripresa del programma sperimentale nel 2015, dopo alcune migliorie all'apparato attualmente in corso. (I membri di Milano-Bicocca che partecipano a CMS si trovano elencati nella pagina web del gruppo particelle.

M. Bonesini, A. Branca, C. Brizzolari, C. Cattadori, A. Falcone, C. Gotti, G. Pessina, F. Terranova, M. Torti

Gli acceleratori di particelle sono in grado di produrre fasci estremamente intensi di neutrini rivelabili a migliaia di chilometri di distanza. La precisione con cui questi neutrini vengono prodotti e il controllo dei loro flussi permettono di studiare in maniera estremamente dettagliata le oscillazioni di neutrino e le asimmetrie materia-antimateria. Il più ambizioso di questi esperimenti – DUNE - è attualmente in costruzione negli Stati Uniti e raccoglie una comunità di circa 1100 fisici da tutto il mondo. Il nostro Dipartimento coordina dal 2019 le attività di realizzazione dei fotosensori in DUNE e partecipa alla fase di prototipazione presso il CERN e all’analisi dei dati. Inoltre, per ridurre le incertezze sistematiche di DUNE, abbiamo proposto nel 2015 una nuova tecnica di monitoraggio dei flussi (“monitored neutrino beams”) che è in corso di validazione presso il CERN. Nei monitored neutrino beams, il flusso è misurato in modo diretto rivelando i leptoni carichi prodotti nel tunnel di decadimento. Questa tecnica è sviluppata da un esperimento approvato dal CERN nel 2019 che prende il nome di NP06/ENUBET.
L’esperimento è coordinato dai Dipartimenti di Milano-Bicocca e Padova.

M.Calvi, S.Capelli, P.Carniti, D. Fazzini, J. García Pardiñas,  C.Gotti, M.Martinelli, L. Martinazzoli, C. Matteuzzi, S. Meloni, A.Minotti, G.Pessina, E.B. Shields 

LHCb è uno dei quattro grandi esperimenti in funzione presso il collisore protone-protone LHC al laboratorio internazionale CERN (Ginevra) ed è dedicato principalmente alla fisica degli adroni beauty e charm. Nonostante lo straordinario successo del Modello Standard (MS) nel descrivere i risultati degli esperimenti di fisica delle particelle effettuati nelle ultime decine di anni, molte sono le domande lasciate senza risposta. Fra queste: l’origine dell’asimmetria materia-antimateria osservabile nel nostro universo, la ragione delle tre repliche di famiglie di leptoni e di quarks, l’enorme diversità tra i valori delle loro masse e degli accoppiamenti, ecc. Lo scopo principale di LHCb è la ricerca di evidenze di fisica oltre il MS attraverso il confronto delle sue previsioni con misure di alta precisione. LHCb studia i processi con violazione della simmetria di CP nei settori del beauty e del charm e ricerca l’esistenza di eventi particolarmente rari per il MS. Recentemente LHCb ha osservato alcune deviazioni dall’assunzione del MS di Universalità Leptonica che potrebbero diventare particolarmente significative con l’analisi dei prossimi campioni di dati disponibili. Il rivelatore LHCb, completamente rinnovato, riprenderà la presa dati a LHC nel 2022. 

La Collaborazione LHCb, di cui il gruppo di Milano Bicocca fa parte, comprende 90 diverse Università e laboratori da 19 nazioni del mondo, per un totale di circa 1500 membri.

A. Nucciotti

Ancora oggi il valore assoluto della massa del neutrino è sconosciuto. Misurarlo è fondamentale per completare il quadro che abbiamo della fisica delle particelle e della cosmologia. Il neutrino, infatti, con la sua abbondanza nell’universo ne influenza l’evoluzione, in particolare nel processo di formazione delle galassie, e la sua massa è pure un ingrediente fondamentale nei modelli teorici che cercano di spiegare come tutte le particelle acquistano una massa. La misura diretta della massa del neutrino attraverso lo studio della distribuzione energetica delle particelle ionizzanti emesse nei decadimenti beta nucleari si basa solo sulla conservazione dell’energia e del momento ed è quindi in assoluto la misura più libera da ipotesi e assunzioni aggiuntive. Presso il Laboratorio di Criogenia situato al terzo piano interrato del Dipartimento di Fisica svogliamo diverse attività legate alla misura diretta della massa del neutrino. Da anni sviluppiamo rivelatori di particelle a bassissima temperatura (micro-calorimetri) che per la loro estrema sensibilità sono particolarmente adatti per queste delicate misure. In particolare, questi rivelatori sono indicati per lo studio del decadimento beta del 187Re e della cattura elettronica dell’163Ho (per maggiori informazioni). Nel Laboratorio di Criogenia sviluppiamo rivelatori e conduciamo esperimenti pilota allo scopo di definire un futuro esperimento su larga scala che usi il 187Re o l’163Ho per superare la sensibilità degli esperimenti che attualmente usano il trizio.
Recentemente lo European Research Council (ERC) ha finanziato con un Advanced Grant l’esperimento HOLMES che userà l’163Ho.

C. Cattadori, G. Pessina

GERDA è un esperimento dedicato alla osservazione del decadimento doppio beta dell'isotopo 76. Il germanio 76 è un isotopo assai promettente per questa ricerca; di fatto è l'unico nuclide di cui è stato osservato (ma questo risultato è molto discusso) il decadimento senza neutrini. GERDA si propone di confutare o di confortare questo risultato con una misura di alto valore statistico e di merito. La tenica utilizzata, cioè quella di utilizzare diodi di Germanio, arricchiti nell'isotopo di interesse, direttamente immersi in argon liquido che ha il doppio scopo di portaqre alla temperatujra di lavoro i diodi e di schermarli dalla radioattività esterna. Questa tecdnica si è dimostrata molto efficare; infatti, ad energie al di sopra dell'end point del decadimento beta del Ar-39, il fondo è praticamente tutto soppresso e lo spettro energetico è largamente dominato dal decadimento doppio beta con due neutrini. A breve, saranno analizzati i dati nella regione di interesse per il decadimento senza neutrini, tenuta oscurata ai componenti del gruppo di ricerca per evitare premature speculazioni. In detta regione ci si aspetta un fondo di 2/100 di conteggio per keV, chilo di rivelatore e anno. Quindi si potrà fornire un limite inferiore alla vita media ci ca. 10^25 anni.

M. Bonesini, M. Clemenza

MICE esperimento per la dimostrazione del muon cooling al RAL per lo sviluppo di Neutrino Factories e Muon Colliders (http://www.mice.iit.edu) - FAMU studio degli atomi muonici al RAL alla facility Riken-RAL per la misura del raggio di Zemach del protone - Icarus/SBN studio di neutrini sterili al Fermilab con camere ad Argon Liquido.

A. Pullia

Un liquido SURRISCALDATO può creare bolle al suo interno con deposizioni "locali" di energia ; ad esempio il passaggio di una particella carica con emissione di elettroni di bassa energia può innescare la creazione di vapore all'interno del liquido. Queste bolle, se sono sopra un soglia di energia depositata e per deposizioni concentrate in un piccolo percorso, si sviluppano a dimensioni visibili e vengono registrate; lo strumento da noi usato è chiamato Geyser, perché la bolla sale in superficie dove trova una temperatura più bassa che all'interno e solleva un piccolo getto di liquido (come su scala molto più ampia fa un Geyser naturale). Il grado di sovrassaturazione deve essere debole in modo tale da NON rivelare particelle al minimo ed invece avere una ottima sensibilità a rinculi nucleari. Una particella di Materia Oscura (nell'ipotesi Weak Interacting Massive Particle -WIMP) può interagire debolmente con un nucleo del liquido usato, farlo rinculare ionizzato ed essere rivelato dal Geyser.
Naturalmente ci sono molti fondi:
a) piccoli gamma ed elettroni (ma questi NON vengono visti dal Geyser in moderato surriscaldamento);
b) neutroni che fanno rinculare i nuclei del liquido ma questi possono essere contati dalle loro interazioni doppie e triple e quindi sottratti dal numero totale di bolle contate;
c) particelle alpha ma queste possono essere distinte dai rinculi da un segnale acustico (più prolungato ed intenso di quello di uno ione).

O. Cremonesi, M. Paganoni, M. Pavan, E. Previtali

Le attività di Fisica Medica si indirizzanoverso due distinte aree di intervento: da un lato lo studio e la modellizzazione della dose rilasciata ai pazienti durante le procedure diagnostiche e/o radioterapiche, dall’altro lo sviluppo o l'ottimizzazione di strumenti per l'imaging quali per esempio la PET. Entrambe le attività si svolgono in collaborazione con centri di ricerca e/o aziende ospedaliere esterne.

M. Clemenza, E. Previtali

Nell’ambito della fisica ambientale le attività si sviluppano verso varie tematiche che vanno dagli studi climatologici, all’analisi delle contaminazioni ambientale fino allo studio di specifiche fonti energetiche (tipicamente connesse con tematiche nucleari legate alla fissione ed alla fusione). Lo studio degli elementi dispersi all’interno di carote di ghiaccio alpino ed antartico comporta strumentazione estremamente sensibile per la determinazione degli elementi in tracce: in questo contesto l’applicazione di tecniche nucleari quali l’attivazione neutronica, la spettrometria di massa e la spettrometria radioattiva permettono di ottenere risultati molto rilevanti consentendo di studiare le aree sorgenti da cui le polveri disperse analizzate provengono. L’analisi invece delle contaminazioni radioattive disperse nell’ambiente viene condotta attraverso misure di spettroscopia gamma con rivelatori al germanio: tale tecnica consente di analizzare i radionuclidi dispersi dal fall out generato dai test su ordigni nucleari e da rilasci accidentali prodotti da centrali nucleari, come nel caso del recente rilascio prodotto dalla centrale nucleare di Fukushima. Lo studio dei reattori nucleari a fissione ha invece portato alla completa modellizzazione della neutronica del reattore sperimentale TRIGA Mark II dell’Universita’ di Pavia. Lo studio ha inoltre consentito di stimare il bruciamento del combustibile nucleare presente in tale reattore in modo da consentire la riconfigurazione del nocciolo del reattore consentendo un più efficiente utilizzo del combustibile nucleare.

P.G. Rancoita, M. Gervasi, M. Zannoni, S. Della Torre, D. Grandi, M .Tacconi, G. La Vacca, D. Rozza, M.J. Boschini, S. Pensotti, G .Boella

L’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) è un rivelatore di particelle progettato per operare come modulo esterno sulla Stazione Spaziale Internazionale. Grazie alle condizioni uniche dell’ambiente spaziale, potrà studiare l’Universo e le sue origini cercando le evanescenti tracce dell’antimateria primordiale e della materia oscura, attraverso misure di precisione della composizione e del flusso dei raggi cosmici. AMS-02 è costruito, testato e messo in funzione da una Collaborazione internazionale di 56 istituti di 16 paesi.

M. Gervasi, M. Zannoni, A. Baù, A. Passerini, R. Mainini

La ricerca dei modi-B di polarizzazione della CMB consente di studiare l'epoca inflazionaria dell'universo primordiale attraverso le tracce lasciate dal fondo di onde gravitazionali. Tra i programmi osservativi sui modi-B vi sono l'esperimento QUBIC dall'Antartide e la missione LSPE su pallone stratosferico. Altrettanto importante è lo studio dell'interazione della CMB con il plasma caldo degli ammassi di galassie, che fornisce informazioni sulla fisica degli ammassi e sulla evoluzione cosmologica di queste strutture. Misure spettroscopiche sono condotte con l'esperimento OLIMPO su pallone stratosferico e con il programma spaziale Millimetron.