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The Dark Universe - L'universo Oscuro

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The Dark Universe - L'universo Oscuro

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They represent 96% of our Universe but are invisible to the eyes (and to any more sophisticated instrument): they are the dark matter and dark energy, the greatest enigma of modern cosmology -Rappresentano il 96% del nostro Universo ma sono invisibili agli occhi (e a ogni più sofisticato strumento): sono la materia e l’energia oscura, il più grande enigma della cosmologia moderna.

They represent 96% of our Universe but are invisible to the eyes (and to any more sophisticated instrument): they are the dark matter and dark energy, the greatest enigma of modern cosmology -Rappresentano il 96% del nostro Universo ma sono invisibili agli occhi (e a ogni più sofisticato strumento): sono la materia e l’energia oscura, il più grande enigma della cosmologia moderna.

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The Dark Universe - L'universo Oscuro

  1. 1. L’universo Oscuro Giovanni Mazzitelli Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Frascati Scienza
  2. 2. ἄπειρον, ápeiron, illimitato, infinito, indefinito…
  3. 3. Sempre caro mi fu quest'ermo colle, E questa siepe, che da tanta parte Dell'ultimo orizzonte il guardo esclude. Ma sedendo e mirando, interminati Spazi di là da quella, e sovrumani Silenzi, e profondissima quiete Io nel pensier mi fingo; ove per poco Il cor non si spaura. E come il vento Odo stormir tra queste piante, io quello Infinito silenzio a questa voce Vo comparando: e mi sovvien l'eterno, E le morte stagioni, e la presente E viva, e il suon di lei. Così tra questa Immensità s'annega il pensier mio: E il naufragar m'è dolce in questo mare.
  4. 4. kenòn, il vuoto, lo spazio…
  5. 5. ἄτομος, àtomos, indivisibile…
  6. 6. paradosso di Olbers (Keplero 1610): poche il celo e’ buio di notte; 
 paradosso di Balnqui: duplicazione degli esseri
  7. 7. è possibile concepire uno spazio finito senza confini
  8. 8. x’ = vt+x spazio tempo spazio-tempo materia spazio e tempo infiniti spazio e tempo 
 limitati dal cono di luce spazio tempo limitati dal cono di luce e dalla curvatura dovuta alla materia
  9. 9. «Achille, simbolo di rapidità, deve raggiungere la tartaruga, simbolo di lentezza. Achille corre dieci volte più svelto della tartaruga e le concede dieci metri di vantaggio. Achille corre quei dieci metri e la tartaruga percorre un metro; Achille percorre quel metro, la tartaruga percorre un decimetro; Achille percorre quel decimetro, la tartaruga percorre un centimetro; Achille percorre quel centimetro, la tartaruga percorre un millimetro; Achille percorre quel millimetro, la tartaruga percorre un decimo di millimetro, e così via all'infinito; di modo che Achille può correre per sempre senza raggiungerla». Jorge Luis Borges
  10. 10. le leggi della meccanica quantistica “non descrivono cosa succede a un sistema fisico, ma come un sistema fisico viene percepito da un’altro sistema fisico” C. Rovelli, Sette Brevi lezioni di Fisica
  11. 11. il modello standard Bosone di Higgs MeidatoridiForze Zbosone Wbosone γ fotone g gluone Famiglie di materia τtau νττ-neutrino bbottom ttop III µmuone νµ µ-neutrino sstrange ccharm II eelettrone νe e-neutrino ddown up u I LeptoniQuarks fermioni bosoni
  12. 12. La Teoria dei Campi “non importa cosa interagisce ma come interagisce”
  13. 13. Campi, Forze, Simmetrie e Costanti
  14. 14. “il modello standard non è mai stato preso sul serio dai fisici […] a prima vista ha l’aria rappezzata e raccogliticcia” dove campi, forze, costanti e simmetrie non sono di per se giustificati aprendo “infiniti” dubbi C. Rovelli, Sette Brevi lezioni di Fisica
  15. 15. costante cosmologica la relatività generale non prevede una energia del vuoto, come accade in meccanica quantistica, inoltre Evuoto >> Eoscura … e il legame con la materia oscura
  16. 16. 10-35 m - 10-43 s una nuova teoria scaturisce spesso dalla eliminazione di un infinito che a sua volta fa emergere nuove singolarità (relatività generale) o divergenze (fisica quantistica)
  17. 17. Cosmology • The Planck epoch - Time < 10-43 s - four fundamental forces were combined into a single, unified force. • The universe expands - Time 10-43 - 10-36 s - inflation (exponential expiation) explaining why universe was so flat and uniform, primordial black holes could start to be formed • The elementary particles are born - Time ~10-36 s - quarks were combined, forming protons and neutrons; neutrinos were able to escape this plasma of charged particles and began traveling freely through space, while photons continued to be trapped by the plasma. It could be that dark matter (WIMPs) was part of this plasma • The first nuclei emerge -  Time ~1 s to 3 min - nucleosynthesis: universe cooled enough for violent collisions to subside, protons and neutrons clumped together into nuclei of the light elements—hydrogen, helium and lithium • The cosmic microwave background (CMB) becomes visible - Time 380,000 y - the particle soup had cooled enough for electrons to bind to nuclei to form neutral atoms; photons became free to traverse the universe • The earliest stars - Time: ~100 million years • Our Sun is born - Time: 9.2 billion years • Today - Time: 13.8 billion years - The universe is expanding at an increasing rate 
 —> dark energy
  18. 18. Cosmology • The universe expands - Time 10-43 - 10-36 s - inflation (exponential expiation) explaining why universe was so flat and uniform, primordial black holes could start to be formed
  19. 19. Cosmology • The elementary particles are born - Time ~10-36 s - quarks were combined, forming protons and neutrons; neutrinos were able to escape this plasma of charged particles and began traveling freely through space, while photons continued to be trapped by the plasma. It could be that dark matter (WIMPs) was part of this plasma
  20. 20. Cosmology • The first nuclei emerge -  Time ~1 s to 3 min - nucleosynthesis: universe cooled enough for violent collisions to subside, protons and neutrons clumped together into nuclei of the light elements—hydrogen, helium and lithium
  21. 21. Cosmology • The cosmic microwave background (CMB) becomes visible - Time 380,000 y - the particle soup had cooled enough for electrons to bind to nuclei to form neutral atoms; photons became free to traverse the universe
  22. 22. Cosmology • The earliest stars - Time: ~100 million years • Our Sun is born - Time: 9.2 billion years • Today - Time: 13.8 billion years - The universe is expanding at an increasing rate —> dark energy
  23. 23. Astroparticle Physics Dark Energy 69.2% Dark Matter 25.9% Baryonic Matter 4.9% Light 0.01% dark matter (WIMPs, AXIONs, other) dark energy neutrino physics 
 ( s y m m e t r y , oscillation, mass, hierarchy, number of, sterile neutrino) gravitational 
 wave & tests
  24. 24. Dark Energy • Red shift —> the Universe is in motion • By means of doppler effect, the velocity of various galaxies receding from the Earth appears proportional to their distance
 —> the Universe is expanding • CMB appears with an not uniform spectrum —> gravitational redshift it can be viewed as equivalent to the mass of empty space (which conceptually could be either positive or negative), or "vacuum energy". Einstein introduced a cosmological constant Λ to contract e collapse of universe due to gravitational force imaging a static universe! H0 ~ 70 km s−1.Mpc−1 
 Hubble Constant
  25. 25. Plank • how much normal matter, dark matter, and dark energy are in the Universe, • were the initial distribution and spectrum of density fluctuations, • what is the shape/curvature of the Universe.
  26. 26. and more example … LSPE - large scale polarisation explorer QUBIC - Q and U Bolometric Interferometer for Cosmology LITEBIRD - light satellite for B- mode from inflation CMB Radiation observatory
  27. 27. Dark Matter - motivation • Galaxy Rotation Curves • Velocity Dispersions • Galaxy Clusters • Gravitational Lensing • CMB - Cosmic Microwave Background • Structure Formation • Bullet Cluster • Type Ia supernova distance measurements • Sky surveys and baryon acoustic oscillations • Redshift-space distortions • Lyman-alpha forest We call Dark matter the ~85% of the matter in the universe, a quarter of its total energy density, that we don’t see
  28. 28. Galaxy Rotation Curves r rGM v )( = Kepler’s 3rd Law applied to Galaxy
  29. 29. the Dark Matter “wind” solar system Cygnus galaxy rotation
  30. 30. A total of ~ 107 channels readout + time signals 18 cameras monitoring 330*330 mm each with 150 mμ resolution and a sensitivity of ~ 1 ph / 5 eV released in gas CYGNO is a demonstrator exploiting large gas TPC, GEM based charge amplification, hight granularity and sensitivity of optically readout at atmospheric pressure in HeCF4 based gas mixture INITIUM-ERC is an R&D for testing possibility to improve nuclear recoil threshold and directionality by means of negative ions gas mixture in CYGNO demonstrator sCMOS sensors look to be the most cost-effective high granularity and high sensitivity readout
  31. 31. pair created in the tail of an electromagnetic shower (0.2 T magnetic field) 60 keV γ ray AmBe Neutron source (thanks to FISMEL) MeV electrons due to 4 MeV γ He nuclear recoils electron from natural radioactivity (thanks to Frascati Beam Test Facility BTF) (thanks to nature…)
  32. 32. E.A. Poe… e l’intuizione che guadare allo spazio lontano e come osservare il nostro universo nel passato
  33. 33. • 13,8 miliardi di anni fa nasce l’Universo. • 4,5 miliardi di anni fa nasce la Terra. • 2 milioni di anni fa nasce l’Uomo. • 6000 anni fa iniziamo a tramandare la nostra Storia • 2400 anni fa Democrito ipotizza l’esistenza degli atomi e Aristotele pensa uno dei primi e più noti modelli cosmologici. • 400 anni fa scopriamo di non essere al centro dell’universo, forse anche di non essere soli. • 100 anni fa scopriamo le particelle elementari, lo spazio si curva e il tempo non è universale. • 50 anni fa scopriamo che non è tanto importante quello che interagisce, ma come interagisce. • oggi spieghiamo poco più del 4% di quello che vediamo e tocchiamo…
  34. 34. Il nostro e’ l’unico universo o ce ne sono altri? perché le costanti della natura sono così precise? ci sono costituenti più piccoli dei quark e leptoni? perché non riusciamo a trovare un modello che includa la gravità? perché i neutrini non hanno i loro simmetrici come le altre particelle del Modello Standard? … cosa sono quelle forze (energia e materia) oscure che costituiscono il 96% del nostro universo?
  35. 35. bibliografia • Finito o infinito? Limiti ed enigmi dell'universo, Jean-Pierre Luminet, Marc Lachièze-Rey
 https://www.amazon.it/Finito-infinito-Limiti-enigmi-delluniverso/dp/886030038X/  • Il punto cieco – fisica, tempo e coscienza (AEON)
 https://giovannimazzitelli.blog/2019/01/28/il-punto-cieco-fisica-tempo-e-coscienza/ • Sette brevi lezioni di fisica,  Carlo Rovelli
 https://www.amazon.it/Sette-brevi-lezioni-fisica-Rovelli/dp/8845929256/ • L'ordine del tempo, Carlo Rovelli
 https://www.amazon.it/Lordine-del-tempo-Carlo-Rovelli/dp/8845931927/ • Fisica estrema - Le nuove sfide dopo il bosone di Higgs
 http://www.lescienze.it/edicola/2014/03/04/news/fisica_estrema-2028529/ • Le regole del gioco. Come la termodinamica fa funzionare l'universo, Peter William Atkins
 https://www.amazon.it/regole-gioco-termodinamica-funzionare-luniverso/dp/8808061450/ • Il primo libro di filosofia della scienza, S. Okasha, Einaudi
 https://www.ibs.it/primo-libro-di-filosofia-della-libro-samir-okasha/e/9788806181062 • Fisica Sperimentale del Campo Gravitazionale, G. Pizzetta, NIS
 https://www.libreriacortinamilano.it/scheda-libro/guido-pizzella/fisica-sperimentale-del-campo- gravitazionale-9788843009114-291295.html  • Anche i fisici sono filosofi: il ruolo della filosofia nella fisica moderna 
 http://www.lescienze.it/news/2015/05/16/news/discussione_fisici_filosofi_filosofia_morta_viva-2611425/
  36. 36. http://www.frascatiscienza.it/dammi-un-feedback/

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