Tematiche di Ricerca

La nostra ricerca copre un ampio spettro di tematiche, dalla cosmologia all’astrofisica delle alte energie e multi-messaggera in collaborazione con centri di ricerca nazionali e internazionali come INFN, INAF, ASI, ESA, ESO, JAXA e NASA. Le principali attività riguardano la mappatura di galassie nell’Universo a larga scala e le osservazioni della radiazione cosmica di fondo per studiare l’inflazione cosmica, la materia oscura, l’energia oscura e l’evoluzione dell’Universo. Questi studi sono fondamentali per perfezionare i modelli cosmologici e vedono la nostra partecipazione a progetti internazionali di particolare rilevanza quali Euclid, HST, JWST, LiteBIRD, The Simons Observatory, CMB-S4 e LSPE. Nel campo dell’astrofisica multi-messaggera e delle alte energie partecipiamo a missioni come Insight-HXMT e HERMES-TP/SP e siamo membri chiave per il concetto di missione THESEUS volto a studiare i cosiddetti lampi di raggi gamma in sinergia con futuri interferometri gravitazionali. Partecipiamo anche a progetti internazionali quali ZTF, Vera Rubin Observatory e ENGRAVE nell’esplorazione del cielo transiente e nella ricerca di controparti elettromagnetiche a segnali gravitazionali. Ulteriori attività di ricerca riguardano lo sviluppo presso il nostro laboratorio LARIX di strumentazione avanzata e sistemi focalizzanti per missioni ad alta energia, insieme allo studio della formazione di galassie e della materia oscura tramite la tecnica del lensing gravitazionale.

Pubblicazioni recenti

Contatti

Astrofisica:

• Formazione ed evoluzione delle strutture cosmiche: Prof. Piero Rosati 
• Astrofisica delle alte energie: Prof. Cristiano Guidorzi
• Attività sperimentali per l’astrofisica delle alte energie: Dott.ssa Lisa Ferro - Prof. Piero Rosati 
• Astronomia multi-messaggera: Dott. Mattia Bulla
• Fisica e astrofisica di oggetti relativistici: Dott. Jorge Rueda

Cosmologia:

• Esperimenti di CMB (LiteBIRD, ACT, SO, LSPE): Prof. Paolo Natoli - Prof. Luca Pagano
• Survey di Galassie (Euclid): Dott.ssa Margherita Lembo - Dott. Mario Ballardini
• Cosmologia particellare nell’Universo primordiale: Dott.ssa Martina Gerbino
• Fisica dell’inflazione: Dott. Mario Ballardini
• Fisica fondamentale con il CMB: Dott. Alessandro Gruppuso 

L'attività di ricerca in Didattica delle Fisica coinvolge sia attività di insegnamento e didattica della Fisica sia attività di comunicazione, divulgazione scientifica e public engagement. Entrambe questi filoni di ricerca sono accomunati dall'essere basati su innovativi programmi educativi che fanno da ponte tra le conoscenze teoriche e le applicazioni al mondo reale che sono più familiari alle persone non addette ai lavori.
L'attività di didattica della Fisica si svolge in stretta collaborazione con istituti scolastici e in sinergia ad altre attività del dipartimento e dell'INFN quali (Lab2Go, HoP, HOPE e molte altre) che sono rivolte principalmente a studenti delle scuole primarie e secondarie e danno la possibilità di mettere in pratica metodi di insegnamento volti a far apprendere il metodo scientifico come modalità di approccio ai problemi.
Sono inoltre numerose le attività di divulgazione scientifica dedicate alla cittadinanza non specializzata. In particolare, un'iniziativa interdisciplinare gestita in collaborazione con il Dipartimento di Architettura riguarda il progetto di Public Engagement: “Percepire, comprendere e comunicare i luoghi storici della meteorologia ferrarese attraverso la multisensorialità”. L’obiettivo è di consentire ad un pubblico non accademico di “visitare” il non più esistente Osservatorio Meteorologico della Città di Ferrara, attraverso un sistema di “realtà virtuale”. E’ previsto l’utilizzo degli strumenti scientifici conservati nella Collezione Instrumentaria di Scienze Fisiche per ricreare l’antico osservatorio con metodologie digitali aggiornate.

Contatti: Prof. Paolo Lenisa - Prof. Giuseppe Ciullo

Nel Dipartimento sono presenti varie linee di ricerca interdisciplinare che affrontano le complesse sfide in ambito ambientale, della salute e dell’energia, sfruttando varie applicazioni della Fisica per lo sviluppo di tecnologie e soluzioni sostenibili e innovative in questi settori fondamentali.
L'esperienza del gruppo di ricerca in Fisica medica copre vari aspetti delle applicazioni in radiologia diagnostica, medicina nucleare e biofisica della circolazione sanguigna. La nostra attività di ricerca comprende lo sviluppo di metodi e tecnologie innovative per radiologia e la realizzazione di sensori indossabili per il monitoraggio di parametri fisiologici in telemedicina. Questo contributo alla medicina personalizzata e di precisione avviene anche tramite l’implementazione di tecniche computazionali come simulazioni Monte Carlo e applicazioni di intelligenza artificiale.
La ricerca in Fisica applicata all’ambiente si concentra sull'utilizzo di tecniche di spettroscopia gamma tramite droni e velivoli per mappare la radioattività in vari contesti, come discariche e siti minerari. Le attività includono lo sviluppo di algoritmi di intelligenza artificiale e metodi geostatistici applicati al monitoraggio ambientale. Collaborando con aziende e istituzioni leader del settore, sviluppiamo progetti di ricerca per la salvaguardia e la gestione efficiente delle risorse naturali in agricoltura di precisione.
Nell’ambito della Fisica applicata all’energia, l’attività di ricerca, condotta in stretta collaborazione con numerose aziende nazionali, è principalmente focalizzata sullo sviluppo di sistemi fotovoltaici innovativi per integrazione architettonica e per l’agrivoltaico. Il gruppo di ricerca sviluppa sistemi fotovoltaici e fotocatalitici basati su dispositivi a semiconduttore, volti ad ottimizzare la conversione energetica e la produzione di idrogeno. La ricerca del gruppo verte inoltre sullo sviluppo di nuovi materiali per batterie agli ioni di litio basati su semiconduttori nanostrutturati.

Contatti
Prof. Angelo Taibi - Fisica applicata alla medicina
Prof. Fabio Mantovani - Fisica applicata all’ambiente
Prof. Donato Vincenzi - Fisica applicata all’energia

L'attività dei diversi gruppi è svolta nel contesto di collaborazioni internazionali e si sviluppa all’interno di due tematiche principali, fisica dei semiconduttori e magnetismo.  

• fisica dei semiconduttori La ricerca è realizzata mediante tecniche di fabbricazione e caratterizzazione all'avanguardia e punta ad applicazioni che spaziano dalla canalizzazione di particelle cariche ai dispositivi di rilevamento di gas. La channeling, mediante cristalli, collega la fisica dello stato solido alla fisica delle alte energie, in particolare all’ambito degli acceleratori di particelle. La sua versatilità consente nuove applicazioni altrimenti irraggiungibili, favorendo collaborazioni con esperimenti di fisica di alte energie in tutto il mondo. I dispositivi per la sensoristica dei gas, ottenuti grazie ad una progettazione mirata, su scala nanometrica, delle superfici dei materiali, sono specificamente dedicati ad applicazioni nell’ambito del monitoraggio ambientale, del settore agroalimentare e per la diagnostica medica. Lo studio è rivolto alla comprensione dell'interazione solido/gas all’interfaccia. Questa ricerca è sostenuta da partner industriali e accademici in Italia e in Europa. 
• magnetismo La ricerca sperimentale si concentra su sistemi magnetici ibridi verdi e biocompatibili, combinando nanostrutture magnetiche (nanoparticelle o film sottili) e biopolimeri organici, per utilizzare questi sistemi nell’ambito dell'elettronica soft, dei dispositivi di attuazione e per applicazioni biomediche. Inoltre, la ricerca si estende anche all'esplorazione di dispositivi logici nanomagnetici attraverso l'analisi dell'inversione di magnetizzazione in array di nanodot magnetici, nonché la comprensione dei domini a strisce nei film ferromagnetici. Sul fronte teorico, simulazioni e modelli sono ideati per comprendere le dinamiche di magnetizzazione all'interno di materiali nanostrutturati periodici, tra cui cristalli magnonici, spin ice, film ferromagnetici ondulati e ibridi di questi. Lo scopo è il controllo della propagazione dei magnoni (i quanti delle onde di spin) su scala nanometrica, come alternative alla corrente elettronica, contribuendo così allo sviluppo di dispositivi più ecologici, portatili e multifunzionali.

Contatti:
Sensori: Prof. Vincenzo Guidi -  Prof. Cesare Malagù - Dott.ssa Barbara Fabbri - Dott.ssa Giulia Zonta
Cristalli: Dott. Andrea Mazzolari - Dott.ssa Laura Bandiera - Dott. Marco Romagnoni
Magnetismo: Prof. Diego Bisero - Prof.ssa Lucia Del Bianco - Prof. Loris Giovannini - Prof. Federico Montoncello - Prof. Federico Spizzo

La fisica delle interazioni fondamentali si occupa dello studio delle interazioni o forze della natura che permettono di descrivere e/o predire i fenomeni fisici a tutte le scale di distanza ed energia. Nel nostro Dipartimento sono presenti gruppi di ricerca coinvolti in numerose collaborazioni internazionali. Tra queste, LHCb presso il LHC al CERN e BESIII presso l'IHEP a Pechino puntano alla ricerca e studio della natura e proprietà di particelle esotiche e convenzionali, e processi di violazione di CP.
La materia oscura è invece l’obiettivo principale degli esperimenti XENON e BULLKID-DM ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN. La collaborazione JEDI si occupa della ricerca di nuova fisica attraverso la misura del momento di dipolo elettrico.
Il fenomeno delle oscillazioni dei neutrini è indagato tramite la partecipazione ad esperimenti come JUNO (Cina) e DUNE (Stati Uniti). Lo studio della struttura interna e di spin dei nucleoni e dei nuclei, attraverso la realizzazione di immagini tomografiche con una precisione senza precedenti, è l'obiettivo primario degli esperimenti CLAS12 al JLab (USA) e EPIC, presso il futuro acceleratore EIC a BNL (USA).
Infine, attività di ricerca e sviluppo di nuove tecnologie per rivelatori ed acceleratori di particelle innovativi, e lo sviluppo di tecniche di analisi basate su reti neurali ed intelligenza artificiale, sono alla base per lo sviluppo degli esperimenti di nuova generazione, tra cui i futuri Future Circular Collider e Muon Collider.

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La ricerca in fisica teorica a Ferrara copre un ampio spettro di argomenti: fisica delle particelle oltre il modello standard, cosmologia teorica, fisica nucleare in astrofisica, fisica computazionale e informatica quantistica. Sono studiate le implicazioni in ambito cosmologico della fisica teorica oltre il modello standard, insieme ad un approccio più fenomenologico alla cosmologia. Le questioni principali investigate includono la composizione della materia oscura, il ruolo dei neutrini e di altre particelle leggere, la violazione delle simmetrie fondamentali, i meccanismi dell'inflazione e l'applicazione delle teorie dei fluidi effettivi in cosmologia, spesso nell’ambito di iniziative teoriche dell'INFN come InDark e TAsP, anche facendo ricorso alle risorse di calcolo ad alte prestazioni fornite dal consorzio CINECA. La ricerca in fisica nucleare in astrofisica si concentra sulla materia in condizioni estreme e sulla modellizzazione di fenomeni come SuperNovae, Gamma Ray Bursts e la fusioni di stelle compatte, collegata a esperimenti come Virgo e il futuro Einstein Telescope, e coinvolgendo l'iniziativa INFN Neumatt. La ricerca in Fisica Computazionale e High Performance Computing (HPC) integra modellizzazione, algoritmi, software e hardware per ottimizzare i carichi di lavoro su moderne architetture di calcolo ad alte prestazioni. Questa linea di ricerca tratta problemi computazionali come i Vetri di Spin, i metodi lattice Boltzmann, la Cromodinamica Quantistica su Reticolo e le Deep Neural Networks; in collaborazione con iniziative teoriche INFN, quale attualmente NPQCD e sigle INFN quali QUBIT e AI_INFN. Recentemente è iniziata la ricerca sul Quantum Computing e le sue applicazioni nell'analisi dei dati, in collaborazione con altri gruppi. Il cluster HPC COKA a Ferrara fornisce significative risorse di calcolo, permettendo agli utenti di sviluppare, implementare ed eseguire codici su CPU e GPU ad alte prestazioni.

Pubblicazioni recenti

Contatti
Prof. Alessandro Drago - Fisica nucleare teorica
Prof. Massimiliano Lattanzi - Fisica astroparticellare
Prof.ssa Isabella Masina - Fisica oltre il modello standard
Prof. Luca Pagano - Fisica dell'Universo primordiale e CMB
Prof. Fabio Sebastiano Schifano - Fisica computazionale

Questa tematica di ricerca si occupa dello studio e dell'applicazione di metodi geofisici per la caratterizzazione ed il monitoraggio nei campi dell'ingegneria, ambientale, geologia e archeologia a diverse scale di osservazione dal laboratorio alla scala di campo (superficiale e profonda). I metodi geofisici studiati spaziano da quelli elettrici ed elettromagnetici a quelli magnetici e sismici con applicazioni di tipo multidisciplinare. La linea di ricerca ha sviluppato principalmente studi innovativi con applicazioni:

• all’ingegneria strutturale ((infrastrutture edili in c.a., ponti, gallerie, cavità sotterranee, strade, murature, sotto servizi, ecc.);
• geologiche (sistemi di faglie attive e strutture geologiche complesse);
• idrogeologiche (acque del sottosuolo e superficiale in contesti fluviali e costieri per l’interazione con l’intrusione salina; monitoraggio di argini fluviali; siti contaminati e discariche);
• archeologiche e beni monumentali (strutture archeologiche sepolte in contesti di pianura e montagna, manufatti e edifici di valore storico-culturale);
• nel settore agro-alimentare (salinizzazione dei suoli e umidità dei terreni).

La tematica di ricerca sviluppa ed integra test sperimentali in laboratorio (Laboratorio di Geofisica Applicata) con indagini del terreno coniugati con lo sviluppo di procedure di elaborazione dati e nuove metodologie esplorative adattabili alle diverse condizioni di applicazione. Le attività di ricerca sono supportate da una rete di collaborazioni nazionali ed internazionali e da aziende private.

Contatto: Prof. Enzo Rizzo

• Micropaleontologia e paleoclimatologia

Il gruppo di ricerca si concentra sullo studio dell’evoluzione degli ecosistemi marini del passato in relazione ai cambiamenti climatici e paleoceanografici globali, con particolare riferimento ad episodi di riscaldamento globale che mostrano analogie con gli attuali e futuri climate changes. Queste ricerche sono al centro dell’attenzione della comunità scientifica internazionale dato che lo studio degli ecosistemi attuali, che soffrono in varia misura del riscaldamento globale, è limitata a poche decine di anni o agli archivi storici, mentre il record geologico offre una prospettiva a lungo termine, essenziale per le proiezioni future. Le variazioni nelle associazioni a foraminiferi planctonici, forme unicellulari dal guscio calcitico, permettono di ricostruire l’impatto su questo importante gruppo di calcificatori marini dei principali episodi di global warming del Cenozoico. Queste forme registrano nei gusci le variazioni chimico-fisiche delle acque in cui sono vissuti, ricavabili da analisi geochimiche. L’aumento di temperatura e pressione di gas serra (da sorgenti vulcaniche o rilascio di metano), ha indotto pronunciate variazioni biotiche mostrando in alcuni casi mancata resilienza. I risultati riferiti al maggior episodio di riscaldamento globale avvenuto 56 Ma sono pubblicati su Science (February 2024, 10.1126/science.adh4893) Studi analoghi sono in corso per l’Eocene inferiore-medio e comprendono anche analisi sulle taglie dei gusci (collaborazione: Bristol University, UK), analisi al sincrotrone (collaborazione: Lund University, SE) e studi geochimici (collaborazione: Max Planck Institute for Chemistry, Mainz, DE).

Contatto: Prof.ssa Valeria Luciani, Prof. Gianluca Frijia

• Paleobiologia e paleoecologia di comunità marine ad alghe calcaree e macroforaminiferi

La ricerca esamina interpretazioni ecologiche e ambientali, dinamica e struttura delle comunità bentoniche marine di sistemi deposizionali di piattaforme carbonatiche e miste silicoclastico-carbonatiche. Studiamo l'evoluzione di questi ecosistemi su ampie scale temporali (Mesozoico-Olocene).

Le nostre principali aree di ricerca si concentrano sulla storia evolutiva e sulla paleobiologia delle alghe calcaree e dei macroforaminiferi bentonici coinvolgendo la biologia, l'ecologia e la biogeografia e tafonomia delle specie fossili e viventi.

Deduciamo i fattori ambientali che hanno influenzato in modo significativo la comparsa e la scomparsa delle comunità ad alghe calcaree e macroforaminiferi bentonici nel corso della storia della Terra. Questi obiettivi sono raggiunti combinando rilevamento paleontologico, metodi analitici ed analisi paleobiologiche (sistematica; morfologia, struttura ed architettura; biostratigrafia; tafonomia; paleoecologia; paleobiogeografia).

Contatti: Prof. Davide Bassi

Mineralogia, Petrologia e Geochimica sono essenziali nelle sfide contemporanee, in cui la sostenibilità ambientale e l’economia circolare rappresentano paradigmi basilari per una effettiva transizione ecologica. Dalla comprensione dei processi geologici primari a scala planetaria che portano all'accumulo di elementi nei giacimenti minerari, alla ricerca di nuovi tipi di geomateriali ispirati ai minerali, alla valorizzazione economica di georisorse strategiche per il paese e l’UE, all’uso e sviluppo di tecniche analitiche e metodologiche più avanzate per la caratterizzazione geochimica, isotopica, spettroscopica, cristallografica e microstrutturale dei materiali geologici e corrispondenti artificiali, allo studio dei potenziali rischi innescati dalle attuali tecniche di interazione dell’uomo con la litosfera, impattanti sull’ambiente e sulla salute, queste discipline svolgono un ruolo centrale nel futuro del Paese. Più nel dettaglio, le principali linee di ricerca includono: riciclo di materiali da demolizione, innovazione nella decorazione ceramica, relazione proprietà-struttura in catalisi sostenibile, rimozione di inquinanti emergenti mediante minerali e loro analoghi di sintesi, caratterizzazione di materiali gemmologici, processi petrologici dal mantello alla crosta terrestre, suoli e loro gestione sostenibile degli ecosistemi agricoli e acquatici, tracciabilità ambientale segnata dal frazionamento isotopico, evoluzione della disponibilità di georisorse, particolati nocivi sui luoghi di lavoro, sviluppo di metodi geochimici e applicazioni ai complessi ofiolitici.

Contatti: Prof. Giuseppe Cruciani - Prof. Francesco Di Benedetto - Prof. Gianluca Bianchini - Prof.ssa Costanza Bonadiman - Prof.ssa Annalisa Martucci - Prof. Emilio Saccani

La mitigazione del rischio idrogeologico rappresenta una necessità urgente e non procrastinabile per il territorio nazionale e regionale nel presente contesto dei cambiamenti climatici. Le emergenze generate da eventi idrometeorologici cosiddetti estremi richiedono l’elaborazione di scenari quantitativi di evoluzione del dissesto in una prospettiva di lungo periodo e su larga scala.
Gli eventi meteorologici del maggio 2023 in Emilia-Romagna ne sono un tragico esempio: “una ri-valutazione delle forzanti che concorrono alla genesi di fenomeni geo-idrologici estremi” è richiesta all’intera comunità scientifica.
La ricerca svolta dal gruppo di Geomorfologia e Geologia applicata utilizza sistemi di monitoraggio in sito e da remoto in modalità prossimale (UAV) e distale (satellitare), strumentazione di laboratorio e modellazioni numeriche per lo studio della pericolosità e del rischio associato a fenomeni franosi, processi erosivi fluviali e costieri, fenomeni alluvionali in ambienti costieri e fluviali.
Valutazioni sociologiche ed economiche integrano gli studi degli scenari di pericolosità per definire il rischio associato, considerando gli effetti anche su infrastrutture, insediamenti, attività economiche e siti di particolare valenza naturalistica e culturale.
Il gruppo ha partecipato allo sviluppo di un’infrastruttura a scala europea per lo sviluppo di un sistema di allerta per le inondazioni costiere nell’ambito delle iniziative Copernicus tramite il progetto H2020 ECFAS.

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Contatti
Prof. Paolo Ciavola - Geomorfologia
Prof.ssa Monica Ghirotti - Geologia applicata

Il Gruppo di Ricerca Carbonati (GRC) si occupa di analisi di dettaglio di sistemi carbonatici e misti del Fanerozoico con particolare attenzione alle ricostruzioni degli ambienti deposizionali, alle analisi di facies, alle ricostruzioni paleogeografiche a paleoclimatiche nonché alla creazione di schemi stratigrafici di alta risoluzione attraverso utilizzo di tecniche stratigrafiche classiche e strumentazioni di tipo geochimico e geofisico. Il gruppo si occupa anche di cartografia geologica e analisi di rocce serbatoio ai fini della pianificazione territoriale e comprensione e utilizzo delle risorse del sottosuolo.

Contatto: Prof. Piero Gianolla - Prof. Michele Morsilli - Prof. Gianluca Frija