Il Dipartimento Interateneo di Fisica, al quale i Corsi di Laurea di Fisica Triennale e Magistrale afferiscono, conduce ricerche di prestigio internazionale nelle seguenti ambiti:
a) Fisica Sperimentale delle Interazioni fondamentali
b) Fotonica e Fisica della Materia
c) Fisica Teorica
d) Ricerche interdisciplinari
e) Didattica e Storia della Fisica
Gli obbiettivi scientifici della maggior parte delle linee si sviluppano su base pluriennale con una connotazione fortemente innovativa dovuta principalmente al pieno inserimento delle attività in un contesto internazionale.
Ciononostante vanno evidenziate delle oggettive criticità comuni a tutte le linee: l’attuale inadeguatezza delle risorse di personale, aggravata dall’ulteriore calo previsto nei prossimi anni, e di finanziamenti specifici per la manutenzione della strumentazione esistente o l’acquisto di nuova rende sempre più concreto il rischio che non si riesca ad ottemperare agli impegni internazionali assunti o a mantenere un adeguato livello di partecipazione alle future grandi iniziative di ricerca di base ed applicata. Senza adeguati finanziamenti ed interventi di reclutamento di personale docente e tecnico è impensabile mantenere il livello attuale di partecipazione a collaborazioni nazionali e soprattutto a quelle internazionali. Di conseguenza, se non si riuscirà ad intervenire con tempestività, si vanificherà il lavoro compiuto in decenni di ricerca e che ha consentito al Dipartimento di Fisica di raggiungere una posizione di elevato prestigio internazionale.
a) Fisica Sperimentale delle Interazioni fondamentali
L’attività nel settore sperimentale delle interazioni fondamentali vede impegnata della maggior parte dei ricercatori del Dipartimento stretta collaborazione con i ricercatori dell’INFN. Le ricerche dipartimentali si possono dividere in linee di ricerca di esperimenti con acceleratori e senza acceleratori. Caratteristiche comuni di queste ricerche sono la collocazione internazionale e la programmazione e lo sviluppo delle attività su base pluriennale basata su accordi internazionali: in questi casi l’ente finanziatore (l’INFN) e il gruppo di ricerca firmano un MoU (Memorandum of Understanding) con il quale l’Ente e il Gruppo si impegnano a realizzare la ricerca fino a portarla compimento. Le linee di ricerca in sintesi sono:
1. esperimenti con acceleratore (CMS, ALICE, TOTEM, BABAR, LHCb, JLAB12, NTOF, FINUDA, T2K-JPARC, OPERA-CERN): i temi studiati coprono quasi tutto l’insieme delle attuali ricerche in fisica delle particelle:
• collisioni protone – protone ad LHC (gruppo CMS), che dopo aver consentito la scoperta del bosone di Higgs, sono principalmente rivolti allo studio delle sue proprietà e di fenomeni fisici non predetti dal Modello Standard, come ad esempio la Supersimmetria. Inoltre il gruppo è attivo nella ricerca di candidati di materia oscura e di stati esotici, confermando l’esistenza dello stato Y(4140). Il gruppo CMS di Bari svolge un ruolo fondamentale nell’esperimento anche per quanto riguarda gli aspetti relativi al rivelatore e al calcolo (sede TIER2).
• Studio della violazione di CP (gruppo BABAR, LHCb), dall’analisi delle interazioni e decadimenti dei mesoni B e del charm, spettroscopia dei mesoni leggeri, del charm, del charmonio, dei mesoni B, Bs e Bc, del bottomonio e ricerca di stati esotici; misura della sezione d’urto di interazione protone-protone ad LHC;
• studi di collisioni nucleo-nucleo ultrarelativistiche LHC (gruppo ALICE) per lo studio delle transizioni di fasi del plasma quark-gluoni e dei fenomeni associati. Il gruppo di Bari è fortemente coinvolto nell’upgrade del Inner Tracking System, nella identificazione di adroni carichi (responsabilità del rivelatore HMPID), nell’analisi dei dati, nel progetto LHC-interface e nel calcolo (sede TIER2). Il gruppo esprime il responsabile Nazionale di Alice-Italia e il responsabile Nazionale del Calcolo di Alice-Italia;
• studio dei fattori di forma e.m. del nucleone (gruppo JLAB12), per la comprensione della struttura interna dei nucleoni e misura della sezione d’urto di interazione protone-protone ad LHC (gruppo TOTEM);
• esperimenti con acceleratori a bassa energia (gruppo FINUDA presso collisionatore e+e- Dafne di Frascati) per lo studio della struttura e dei decadimenti degli ipernuclei prodotti attraverso l’assorbimento di mesoni kappa, aventi carica negativa, a riposo;
• esperimenti di oscillazioni dei neutrini (gruppo T2K e OPERA), per la misura della probabilità di cambiamento della famiglia leptonica dei neutrini durante la loro propagazione, utilizzando rivelatori posti a grande distanza dall’acceleratore; l’esperimento T2K si svolge in Giappone, OPERA si svolge presso il Gran Sasso (LNGS) e utilizza un fascio di neutrini generato al CERN;
2. studi della fisica della radiazione cosmica carica e gamma: in questa linea (gruppi CTA, DAMPE,FERMI e PAMELA) si studiano i temi astro-particellari con esperimenti su satelliti nello spazio o in laboratori sulla superficie terrestre senza utilizzo di acceleratori. La linea di ricerca ha particolari implicazioni nello studio dell’origine e dei meccanismi di accelerazione dei raggi cosmici e nella comprensione della natura della materia oscura, cercandone la presenza in modo indiretto attraverso lo studio della radiazione cosmica di altissima energia. Si studiano inoltre le proprietà di corpi e sistemi astrofisici complessi quali resti di supernovae, pulsar, quasar, buchi neri, che emettono radiazione X e gamma oggetti cosmici che emettono radiazione gamma e, in particolare, nelle fasi iniziali della loro evoluzione. Questi studi, sia da Terra che nello spazio consentono di esplorare i confini dell’universo osservabile, indagare sulla nascita e l’evoluzione di questi oggetti cosmici, verificare ed accreditare i modelli recenti di espansione dell’universo ed infine di verificare le leggi della fisica nelle condizioni più’ estreme (test di lorentz-invariance ad esempio e sulla propagazione dei fotoni di altissime energie dai confini dell’universo a noi).
L’impatto di elevato livello scientifico di queste ricerche è testimoniato dagli alti valori degli indicatori bibliometrici delle pubblicazioni.
b) Fotonica e Fisica della Materia
Le ricerche in Fotonica e Fisica della Materia sono state potenziate nel corso del triennio 2011-13, anche grazie agli importanti progetti finanziati da diversi PON. In estrema sintesi si possono riconoscere due tipologie di ricerche: una ad indirizzo fondamentale, legata a collaborazioni anche internazionali, sugli sviluppi di frontiera della fotonica e delle nanotecnologie; una ad indirizzo applicativo, con importanti ricadute tecnologiche, più legata ad interazioni locali anche di natura industriale.
• Laser a cascata quantica e loro applicazioni alla sensoristica
Questa linea si sviluppa su entrambi i fronti, fondamentale e applicativo. L’obiettivo sul fronte fondamentale è quello di contribuire alla comprensione dei meccanismi che tuttora condizionano le performance dei laser a cascata quantica a temperature elevate e allo sviluppo di sorgenti e rivelatori THz più versatili in termini di accordabilità spettrale e temporale. Di particolare interesse sono gli studi sulla larghezza di riga e sulla dinamica dei modi longitudinali nei THz-QCL che potrebbero portare alla realizzazione di un sistema laser mode-locked. L’obiettivo sul fronte applicativo è quello di utilizzare queste sorgenti come sensori fisico/chimici e dimostrarne i limiti di risoluzione.
• Bio-sensori e dispositivi elettronici ibridi
Questa linea nasce dalla collaborazione con gruppi di chimici e allarga il fronte della ricerca all’ambito dei materiali organici e ibridi (organico/inorganico), in particolare biosensori e transistor. Obiettivo della ricerca è lo studio degli effetti fisico-chimici all’interfaccia di strati funzionalizzati, anche integrati in transistor organici, attraverso tecniche spettroscopiche e di caratterizzazione elettrica ed ottica, allo scopo di realizzare dispositivi biocompatibili, e sensori con applicazioni in campo ambientale, biologico, medico.
• Lavorazioni laser e trattamento di materiali e superfici
Grazie ai finanziamenti regionali delle Reti di Laboratori, sono state fortemente potenziate le facilities di saldatura, ora anche su plastiche oltre che su metalli, e di micro-strutturazione laser delle superfici. Questa attrezzatura si affianca a quella esistente di deposizione di film sottili e nanostrutturazione di superfici. Oltre alla ricerca e alla caratterizzazione di nuovi materiali, e di nuove proprietà di materiali tradizionali, questa linea ha obiettivi di trasferimento tecnologico e di collaborazione con le imprese, soprattutto locali, anche puntando alla realizzazione di spin-off per la valorizzazione economica dei risultati e dei brevetti conseguiti.
• Dinamica spaziotemporale dei sistemi ottici non lineari, laser e studio di metamateriali
L’attività si articola in due filoni paralleli: da un lato a supporto e indirizzo della ricerca sulla strutturazione spaziale e temporale del campo coerente in sistemi a cavità ottica, con particolare riferimento alle strutture solitoniche e alle instabilità temporali, e dall’altro verso lo studio della modificazione dinamica delle proprietà ottiche dei materiali (metamateriali strutturati otticamente). In entrambi i casi l’obiettivo della ricerca è sinergico alle attività sperimentali, svolte sia in loco sia presso altri gruppi con i quali è instaurata una proficua collaborazione su base progettuale.
c) Fisica Teorica
La Fisica Teorica è storicamente una disciplina di punta del Dipartimento di Fisica, sia per la sua rilevanza internazionale che per la visibilità delle ricerche che vengono portate avanti.
L’attività scientifica è diversificata e verte su numerosi argomenti di ricerca, coinvolgendo anche ricercatori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Le ricerche sono sempre caratterizzate da collaborazioni internazionali.
I principali temi di ricerca sono la fisica delle alte energie, la cosmologia, la meccanica statistica, la fisica della complessità, la meccanica quantistica e l’ottica quantistica.
Tutte le ricerche godono di un significativo prestigio scientifico, come testimoniato dagli alti valori di tutti gli indicatori bibliometrici. Ben tre Iniziative Specifiche dell’INFN sono coordinate da ricercatori baresi.
A grandi linee, le attività di ricerca possono essere suddivise come segue.
Fisica Teorica Astroparticellare, Cosmologica e Gravitazionale.
Implicazioni astrofisiche e cosmologiche delle transizioni di fase del modello standard; medie covarianti e gauge-invarianti di osservabili cosmologici su ipersuperfici spaziali e sul cono luce; calcolo della distanza di luminosità delle sorgenti astrofisiche al secondo ordine perturbativo e in modo non-perturbativo con il metodo del “map di Jacobi”; analisi globale delle oscillazioni, delle masse e dei mescolamenti dei neutrini per informazione di precisione sull’angolo di “mixing” theta-13, sull’ottante dell’angolo theta-23 e sul quadrante della fase delta di violazione di CP.
Meccanica Statistica, dinamica dei fluidi ed applicazioni in Biologia e Medicina.
Questa attività comprende lo studio di proprietà generali di sistemi non in equilibrio termodinamico e del comportamento dinamico di fluidi complessi e materia attiva, anche in presenza di transizioni di fase. La modellistica fisica della meccanica statistica insieme a varie tecniche di simulazione è utilizzata per la descrizione e l’analisi di varie classi di sistemi complessi. Simulazioni di dinamica molecolare sono applicate alla proteomica e allo studio di liquidi ionici e nanomateriali. Sono sviluppati algoritmi, basati sulla nozione di entropia, per la stima del flusso di informazione tra le sotto-componenti di sistemi complessi.
Fisica teorica delle interazioni fondamentali.
Analisi del Modello Standard delle interazioni fondamentali, confronto con i dati nel settore del quark beauty raccolti ai collisionatori di particelle, studio della possibile esistenza di nuove interazioni (gruppi di gauge estesi) e di dimensioni extra. Spettroscopia e classificazione di stati legati di quark beauty e charm. Studio delle interazioni forti utilizzando la corrispondenza gauge/gravità, che ipotizza l’analogia fra sistemi fortemente interagenti e sistemi con gravità debole.
Sistemi quantistici: dalla complessità alle correlazioni quantistiche.
Fisica dei condensati di Bose-Einstein e fenomeni emergenti in sistemi di particelle identiche. Simulazione quantistica di sistemi complessi, in particolare teorie di gauge, con atomi freddi in reticoli ottici. Problemi di controllo della dinamica, decoerenza e dissipazione. Imaging e correlazioni quantistiche. Potenziamento delle performance di protocolli classici quali l’imaging remoto e l’imaging attraverso mezzi scatteranti o turbolenti. Potenzialità offerte nell’ambito dell’imaging remoto (ghost imaging) dai muoni cosmici, tipici cioè degli sciami di particelle generati in atmosfera dai raggi cosmici.
d) Ricerche interdisciplinari
Le ricerche interdisciplinari e tecnologiche del Dipartimento Interateneo di Fisica si sono fortemente sviluppate nel corso del triennio 2011-13.
I settori di maggiore interesse sono:
– calcolo scientifico ad alte prestazioni;
– fisica medica: adroterapia e neuroscienze;
– biofisica;
– telerilevamento.
Sebbene il numero di ricercatori con posizione permanente coinvolti in tale attività sia esiguo, è da rilevare che tre di essi hanno conseguito la Abilitazione Scientifica Nazionale per seconda fascia e un professore associato ha conseguito la Abilitazione Scientifica Nazionale per la prima fascia, a testimonianza della qualità delle ricerche condotte.
Le attività di ricerca sono state collegate alla programmazione Ricerca & Competitività 2007-13 delle Regioni della Convergenza e in Finanziamenti competitivi Nazionali (PRIN) e di Enti Pubblici di Ricerca, in particolare del CNR e dell’INFN. Esse hanno altresì contribuito in modo sostanziale all’aumento dei finanziamenti ottenuti dal Dipartimento.
Nel dettaglio le attività consistono in:
• Calcolo scientifico ad alte prestazioni:
utilizzo di tecnologie hardware e software che permettono lo sviluppo e l’implementazione del calcolo scientifico ad alte prestazioni. Nel Dipartimento è presente il centro di calcolo BC2S (Bari Centre for Computing Science) costituito da circa 4000 core di calcolo e 1.6 PB di spazio disco (a fine 2013), con previsione di espansione di un fattore tre entro fine 2014. La presenza di specifiche competenze di calcolo nel Dipartimento ha già aperto la strada a collaborazioni strategiche con Aziende che sviluppano prodotti e servizi ad alto contenuto scientifico e tecnologico (i.e. la Spin off GAP s.r.l. di POLIBA), ad enti istituzionali (i.e. ARPA-Puglia) e a partenariati pubblico-privato nell’ambito di numerosi progetti di ricerca finanziati nell’ambito della Programmazione PON 2007-2013. E’ volontà del Dipartimento di Fisica (ma anche interesse dell’intera comunità universitaria) perseguire tali obiettivi con forza e determinazione, in quanto indispensabili nel contesto territoriale.
• Fisica Medica
– Adroterapia: Sviluppo del Beam Delivery System nell’ambito del progetto del nuovo centro di trattamento adroterapico ERHA, finanziato nell’ambito del Potenziamento del Distretto della Meccatronica.
– Neuroscienze: Studio della connettività e della morfometria cerebrale attraverso metodologie mutuate dalla Fisica Statistica, a partire da dati MRI, fMRI, EEG e MEG.
Tutte le attività sono condotte attraverso progetti finanziati ed in stretta sinergia con le comunità cliniche internazionali di riferimento.
• Biofisica Computazionale
Sviluppo di metodologie mutuate dalla fisica teorica per lo studio delle proprietà fisiche di sistemi biologici. Le attività di ricerca si sono concentrate nell’impiego massiccio di tecniche di simulazione molecolare allo scopo di chiarire, a livello di dettaglio atomico, le proprietà morfologiche e dinamiche di macromolecole di interesse biologico e/o nanotecnologico.
• Telerilevamento
Sviluppo e applicazione di metodologie satellitari innovative nei seguenti settori:
– Telerilevamento radar satellitare, per il monitoraggio di fenomeni di instabilità del terreno;
– Telerilevamento con sensori ottici multi- ed iper-spettrali, per analisi sulla qualità delle acque;
– Modellistica meteorologica ad elevata risoluzione, per la previsione e prevenzione del rischio ambientale
e) Didattica e Storia della Fisica
Le ricerche di Didattica e Storia della Fisica sono caratterizzate da un’applicazione sistematica di metodologie tipiche di altri ambiti disciplinari (pedagogico, didattico, storico, semeiotico, museale) alla Fisica. In particolare, sono stati affrontati i temi dello sviluppo delle ricerche sui fondamenti della Fisica quantistica a partire dagli anni ‘60 concentrandosi sulla figura di John Bell e sui suoi lavori sulla verifica sperimentale del paradosso di EPR, la questione dell’insegnamento degli elementi della fisica quantistica nelle scuole superiori attraverso metodi e tecniche basate sull’approccio semeiotico, la costituzione di una rete nazionale (progetto finanziato dal MIUR) di catalogazione dei musei scientifici universitari per inserirli nel cataloghi SIGEC del MiBAC.