CODICE 94844 ANNO ACCADEMICO 2017/2018 CFU 6 cfu anno 1 FISICA 9012 (LM-17) - 6 cfu anno 2 FISICA 9012 (LM-17) - SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE FIS/01 LINGUA Italiano SEDE PERIODO 2° Semestre MATERIALE DIDATTICO AULAWEB PRESENTAZIONE Il corso parte dall’esposizione di elementi introduttivi della teoria della relatività generale, fornendo gli strumenti necessari per la comprensione delle proprietà delle onde gravitazionali, giungendo allo studio delle moderne tecniche sperimentali utilizzate nei rivelatori di onde gravitazionali. La recente scoperta delle onde gravitazionali e le sue conseguenza per la fisica fondamentale e l’astrofisica sono discusse nell’ultima parte del corso. OBIETTIVI E CONTENUTI OBIETTIVI FORMATIVI Il corso intende fornire una panoramica aggiornata sull'attività di ricerca sperimentale in teoria della gravitazione a partire dai suoi fondamenti (test del principio di equivalenza debole: esperimento di Eötvös; esperimento di Roll, Krotkov e Dicke; esperimento di Braginsky e Panov) fino ai recenti rivelatori interferometrici di onde gravitazionali (Interferometri con cavità Fabry-Pérot, lo schema ottico di Virgo, sorgenti di rumore e strategie di mitigazione). Una parte del corso è dedicata ad elementi di astrofisica gravitazionale (oggetti astrofisici compatti, stelle di neutroni rotanti, collasso stellare), con particolare riferimento ai test di relatività generale. OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO Il corso si propone di fornire agli studenti gli strumenti necessari per la comprensione della moderna letteratura scientifica nel campo delle onde gravitazionali, astronomia gravitazionale e astronomia multi-messaggera, nonché una buona conoscenza delle moderne tecniche sperimentali e di analisi dati utilizzate per la rivelazione di segnali gravitazionali. MODALITA' DIDATTICHE Lezioni frontali teoriche. PROGRAMMA/CONTENUTO Elementi di relatività generale Principio di equivalenza. Algebra dei tensori. Equazioni tensoriali. Curve geodetiche. Derivata covariante. Deviazione geodetica e curvatura. Tensore di Riemann. Tensore energia-impulso. Equazione di Einstein. Weak-field limit. Onde gravitazionali Onde gravitazionali come soluzioni delle equazioni di Einstein. Espressione in gauge TT (Transverse-Traceless) e nel sistema del laboratorio. Effetto su masse di prova. Generazione di onde gravitazionali. Intensità e luminosità della sorgente. Elementi di astrofisica gravitazionale Oggetti astrofisici compatti. Stelle di neutroni rotanti. Collasso stellare. Fondo cosmologico di onde gravitazionali. Coalescenza dei sistemi binari. PSR B1913+16. Double pulsar PSR J0737-3039. Test di relatività generale con GW150914 e GW151226. Rivelatori interferometrici di onde gravitazionali Un semplice interferometro di Michelson. Interferometri con cavità Fabry-Pérot. Power recycling. Lo schema ottico di Virgo. Sorgenti di rumore e strategie di mitigazione (rumore quantistico; teorema fluttuazione-dissipazione e rumore termico; rumore sismico; rumore newtoniano). Elementi di analisi dei processi stocastici Processi stocastici. Media, varianza, correlazione, autocorrelazione. Processo armonico. Processo di Poisson. Sistemi senza memoria. Test di Ipotesi. Permutation test. Trasformazioni lineari. Spettro di potenza. Matched filtering. False alarm rate, campionamento nello spazio dei parametri, cenni sulle problematiche del calcolo. Tecniche di rivelazione avanzate Controlli e locking: tecnica di Pound-Drever-Hall. Signal recycling. Tecniche per il superamento del limite quantistico: lo squeezing. Rivelatori interferometrici di terza generazione. Rivelatori nello spazio. Pulsar timing array. TESTI/BIBLIOGRAFIA T.A. Moore, A General Relativity Workbook, University Science Books (2013) M. Maggiore, Gravitational Waves. Volume 1: Theory and Experiments, Oxford University Press (2008) P.R. Saulson, Fundamentals of Interferometric Gravitational Wave Detectors, World Scientific (1994) M. Bassan (Ed.), Advanced Interferometers and the Search for Gravitational Waves, Springer (2014) J. D. E. Creighton, W. G. Anderson, Gravitational-Wave Physics and Astronomy: An Introduction to Theory, Experiment and Data Analysis, Wiley (2011) DOCENTI E COMMISSIONI GIANLUCA GEMME FIODOR SORRENTINO ANDREA CHINCARINI Commissione d'esame GIANLUCA GEMME (Presidente) ANDREA CHINCARINI FIODOR SORRENTINO SILVANO TOSI LEZIONI INIZIO LEZIONI 7 marzo 2018 Orari delle lezioni ONDE GRAVITAZIONALI ESAMI MODALITA' D'ESAME Presentazione di una tesina scritta su uno degli argomenti trattati nel corso. Discussione della tesina e colloquio sugli argomenti trattati nel corso. MODALITA' DI ACCERTAMENTO Allo studente è richiesto di presentare un breve elaborato in inglese su un argomento concordato con il docente, tipicamente un approfondimento di un argomento trattato durante il corso. La discussione della tesina è svolta di fronte alla commissione d’esame composta dal docente responsabile e da un altro esperto della materia e consiste in una presentazione della durata di 20-30 minuti. Nel corso della presentazione, ed in seguito ad essa, la commissione rivolge allo studente domande che vertono sul programma di esame e che consentono alla commissione di valutare, oltre che la preparazione, il grado di chiarezza espositiva, e la capacità di elaborazione autonoma dei contenuti del corso raggiunti dallo studente. La valutazione finale è ottenuta da una media ponderata delle valutazioni della chiarezza e completezza dell’elaborato scritto, della chiarezza e completezza dell’esposizione e della capacità di elaborazione autonoma dello studente.
