The Dark Universe - L'universo Oscuro

1. L’universo Oscuro Giovanni Mazzitelli Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Frascati Scienza

2. ἄπειρον, ápeiron, illimitato, inﬁnito, indeﬁnito…

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. kenòn, il vuoto, lo spazio…

5. ἄτομος, àtomos, indivisibile…

6. paradosso di Olbers (Keplero 1610): poche il celo e’ buio di notte;   paradosso di Balnqui: duplicazione degli esseri

7. è possibile concepire uno spazio ﬁnito senza conﬁni

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. «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. 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. 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. La Teoria dei Campi “non importa cosa interagisce ma come interagisce”

13. Campi, Forze, Simmetrie e Costanti

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Galaxy Rotation Curves r rGM v )( = Kepler’s 3rd Law applied to Galaxy

29. the Dark Matter “wind” solar system Cygnus galaxy rotation

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. 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. E.A. Poe… e l’intuizione che guadare allo spazio lontano e come osservare il nostro universo nel passato

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. 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. 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. http://www.frascatiscienza.it/dammi-un-feedback/

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