Attività scientifica di S. Esposito


 

Fisica del neutrino

Fisica dell’Universo primordiale

Effetto tunnel fotonico

Teoria dei campi

Fisica teorica (altri argomenti)

Divulgazione e didattica della Fisica

Storia della Fisica


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Fisica del neutrino
L'accuratezza con cui ha svolto il lavoro di tesi lo ha portato a pubblicare il suo primo articolo già prima della laurea; in esso ha mostrato in che modo la teoria MSW per le oscillazioni di neutrino in un mezzo denso può efficacemente risolvere il problema del deficit del flusso di neutrini solari.
       Dopo la laurea ha continuato a lavorare attivamente nel campo della Fisica del neutrino, investigando diverse questioni riguardanti le oscillazioni di neutrino (sia di flavour che oscillazioni di Pontecorvo) nel vuoto, in materia e in presenza di campi magnetici. In particolare (insieme con G. Capone) ha studiato la propagazione di neutrini massivi in mezzi densi magnetizzati; tale studio si è poi rivelato di notevole importanza, tra le altre cose, per la comprensione delle elevate velocità apparenti delle Pulsar, secondo il meccanismo di Kusenko-Segrè e successive generalizzazioni.
       Successivamente ha compiuto (insieme con altri ricercatori) una sistematica investigazione sugli effetti osservabili indotti da oscillazioni di neutrino sugli spettri energetici dei copiosi neutrini emessi da Supernovæ, sia in assenza che in presenza di eventuali interazioni elettromagnetiche da parte di queste stesse particelle. Tale studio è di particolare utilità nella rivelazione di eventi da esplosione di Supernove.
       In collaborazione con G. Salesi, ha poi proposto una semplice spiegazione fenomenologica di alcuni dati apparentemente contraddittori riguardanti le oscillazioni di neutrino in esperimenti di laboratorio. Il modello teorico proposto, che prevede anche alcuni dettagli dei fenomeni effettivamente osservati, sembrerebbe evidenziare una non trascurabile violazione della simmetria CPT nelle oscillazioni dei neutrini.

Fisica dell'Universo primordiale
Ha poi lavorato su problemi legati alla nucleosintesi degli elementi leggeri nell'’universo primordiale. In collaborazione con G. Mangano, G. Miele e O. Pisanti è stato innanzitutto introdotto un procedimento coerente in cui poter ricavare senza ambiguità la rinormalizzazione della funzione d’onda di particelle immerse in un bagno termico di data temperatura. Si è poi sviluppato un accurato e sistematico studio di tutti gli effetti fisici che intervengono durante la nucleosintesi primordiale, atto a permettere delle accurate previsioni fenomenologiche sulle abbondanze relative degli elementi leggeri. Da siffatto studio è stato, quindi, elaborato un complesso codice numerico, molto preciso, atto a fornire (una volta fissati i parametri della teoria) i valori di tali abbondanze.
       Si è quindi proceduto ad una analisi dei dati sperimentali disponibili sia sulle abbondanze degli elementi leggeri che sulle anisotropie della radiazione cosmica di fondo, confrontandoli con i risultati teorici e fornendo dei limiti di validità alla teoria standard della nucleosintesi primordiale. In parallelo si è anche compiuto uno studio delle distorsioni dello spettro della radiazione cosmica di fondo indotte da un potenziale chimico non nullo per i neutrini durante la nucleosintesi primordiale.
       I numerosi e importanti risultati ottenuti in questo campo sono correntemente e abbondantemente utilizzati dalla comunità scientifica internazionale.
       Ultimamente si è poi anche occupato delle conseguenze fenomenologiche di una violazione della simmetria di Lorentz a livello delle relazioni di dispersione tra energia e impulso delle particelle, deducendo i primi limiti sperimentali su alcuni parametri della teoria, ed evidenziando le implicazioni su scala cosmologica delle violazioni di detta simmetria.

Effetto tunnel fotonico
Si è inoltre occupato di questioni riguardanti l’effetto tunnel di fotoni in particolari apparati sperimentali, sorte in connessione alla osservazione di segnali luminosi propagantesi nei citati apparati con velocità di gruppo maggiore della velocità della luce nel vuoto. Ha mostrato come tali osservazioni non solo siano compatibili con il Principio di Relatività, ma anche come esse siano ben descritte dalla meccanica quantistica, tali risultati essendo normalmente utilizzati nei laboratori internazionali che studiano tale fenomeno.
       Recentemente ha poi condotto uno studio dettagliato sulle condizioni fisiche generali sotto le quali sia possibile avere un effetto tunnel fotonico del tipo di Klein, dove il coefficiente di trasmissione può essere arbitrariamente grande. Il ruolo dell'emissione spontanea di fotoni in tali circostanze è stato, quindi, studiato accuratamente, fornendo delle predizioni specifiche in un caso di particolare rilevanza pratica.

Teoria dei campi
Contestualmente agli studi sulla violazione della simmetria di Lorentz, ha anche studiato le interazioni tra un campo di Kalb-Ramond e la materia ordinaria, applicando il modello proposto al caso di alcuni tipi di superconduttori. Ulteriori ricerche teoriche su particolari superconduttori sono poi state svolte in collaborazione con G. Salesi, proponendo delle nuove proprietà per tali sistemi che possono rivelarsi sperimentalmente. Lo studio delle conseguenze fenomenologiche dei modelli teorici proposti ha, poi, permesso di fornire una spiegazione qualitativa e quantitativa di alcune proprietà non standard per alcuni tipi di superconduttori non convenzionali, effettivamente osservate. La rilevanza di tali ricerche risiede soprattutto nel fatto che dette proprietà non avevano precedentemente trovato sistemazione negli usuali schemi teorici esistenti. I suoi lavori innovativi sui superconduttori gli hanno valso, nel 2008, la Medaglia Majorana dell'EJTP.

Fisica teorica (altri argomenti)
In collaborazione con M.W. Evans ed E. Recami ha poi sviluppato, a partire dall'’equazione di Dirac, la teoria dei fenomeni di risonanza fermionica in sistemi atomici indotti non da campi magnetici statici ma da radiazione elettromagnetica, fornendo precise previsioni sperimentali.
       Ha anche svolto studi teorici su questioni fondamentali di elettrodinamica, dando una formulazione covariante (particolarmente apprezzata nella letteratura scientifica) della teoria di Majorana-Oppenheimer-Romer dell'’elettromagnetismo, e di meccanica quantistica, facendo vedere come gli effetti quantistici siano in stretta connessione con lo spin delle particelle e derivando, da tale contesto, l’usuale interpretazione probabilistica.
       Coadiuvato da due suoi studenti, ha effettuato alcuni esperimenti accurati sull'effetto Mpemba (il congelamento di acqua inizialmente calda prima di quello di acqua fredda). Sebbene, infatti, tale effetto sia noto da molto tempo, nessuna spiegazione soddisfacente esisteva. Supportato dai risultati sperimentali ottenuti, egli ha quindi proposto una spiegazione quantitativa dettagliata del fenomeno citato in termini di due effetti principali: il super-raffreddamento dell'acqua e l'insorgenza di (tre) transizioni di fase prima del punto di congelamento. Tali fasi sono relative a diverso ordine di gruppi di molecole d'acqua, e solo due transizioni tra tali fasi erano state precedentemente osservate. Le osservazioni compiute sono, poi, state confermate da altri esperimenti condotti in diversi laboratori internazionali.
       In collaborazione con V. Capano e G. Salesi, ha rivelato un inaspettato fenomeno che avviene nei mezzi altamenti viscosi, ovvero la formazione di una struttura metastabile ben definita a seguito di passaggio di perturbazioni meccaniche (come, per esempio, la caduta di una sfera pesante in glicerina). L'accurato studio sperimentale del detto fenomeno, sebbene ancora preliminare, ha permesso lo sviluppo di un modello teorico dello stesso, che è attualmente ancora oggetto di ricerca, anche per le sue interessanti possibili applicazioni tecniche (tuttora al vaglio).
       Ha poi applicato i metodi e le conoscenze della teoria quantistica dei campi allo studio di fenomeni di interesse per la fisica della materia condensata, come ad esempio i fermioni di Majorana e il grafene. In particolare ha studiato le interazioni tra fermioni di Majorana in nanofili accoppiati con superconduttori mediate da un momento magnetico di anapolo, proponendo un ingegnoso metodo per distinguere univocamente la presenza di stati di fermioni di Majorana da quella di fermioni di Weyl. Invece, nello studio della trasmissione di luce attraverso fogli di grafene immersi in un campo magnetico, ha scoperto un particolare effetto a soglia presente in tali sistemi, riguardante i minimi di trasmissione, e governato dal campo magnetico applicato.
       Ha inoltre messo a punto, in collaborazione con l'Università di Bergamo, un accurato protocollo (ThermoTex) per il test delle proprietà termiche di tessuti (asciutti e bagnati) adatto per lo studio dell'ottimizzazione del comfort termico dei tessuti, conforme con lo standard UNI EN 31092.
       In collaborazione con gruppi teorici e sperimentali dell'Università di Bergamo e dei Laboratori Nazionali del Sud di Catania, ha studiato la possibile formazione di strutture complesse in acqua pura e in soluzioni acquose di silicati (TEOS), analizzando i dati sperimentali ottenuti mediante la tecnica sperimentale basata sull'osservazione di luminescenza ritardata, evidenziando pure proprietà particolari dell'acqua non conosciute precedentemente.
       Infine, va anche segnalata la sua impegnativa, quanto fortemente richiesta, attività come recensore di articoli di fisica teorica e fisica matematica per il database Mathematical Reviews dell'American Mathematical Society.

Divulgazione e didattica della Fisica
La lunga e continuativa esperienza acquisita mediante l'insegnamento nella Scuola secondaria superiore e la costante collaborazione con il Museo di Fisica dell'Università di Napoli "Federico II", gli hanno poi permesso di fornire contributi significativi anche nel campo della divulgazione scientifica e della didattica della Fisica, apprezzati sia a livello nazionale che internazionale.
       Oltre ai lavori scientifici di divulgazione su argomenti particolari (come, ad esempio, alcune misure di interesse astronomico o risoluzione di semplici problemi di natura astrofisica), di particolare rilievo è la sua attività seminariale, sia su argomenti generali (meccanica, elettromagnetismo, storia della Fisica, ecc.) che su questioni particolari (fisica quantistica, fisica nucleare e subnucleare, dinamica turbolenta dei fluidi, ecc.), rivolta principalmente a studenti.
       Particolarmente apprezzata è anche la sua attività di progettazione e realizzazione (con la collaborazione di studenti di scuola superiore e/o universitari) di strumenti scientifici, sia di interesse divulgativo che storico, per il Museo di Fisica o per scuole superiori: piano inclinato di Galilei; piano inclinato di Stevino; apparecchio dimostrativo per il teorema delle corde di Galilei; sistema di pendoli per la verifica della legge dell'isocronismo; sistema di pendoli accoppiati per lo studio della risonanza; sistema di pendoli "entropici" per lo studio del disordine e del caos; generatore meccanico di eventi casuali; clessidra automatica per l'illustrazione dei principi di funzionamento delle macchine termiche; ecc.
       Infine, è da segnalare anche il suo lavoro di recensore di libri divulgativi e scientifici, che ha riscosso successo soprattutto in ambito internazionale.

Storia della Fisica
Per quanto riguarda i suoi contributi nel campo della Storia della Fisica, si è principalmente occupato dello studio approfondito dell’'opera inedita di Ettore Majorana. Le opere autografe di quello che, secondo il giudizio di Fermi, è stato il maggior fisico teorico italiano del XX secolo, sono infatti pochissime, mentre le opere inedite sono invece moltissime. Nel 2003 è uscito, per i tipi della Kluwer-Springer (New York), in collaborazione con E. Majorana jr., E. Recami ed A. van der Merwe, la traduzione in inglese di parte delle opere di Majorana, quelle note come "Volumetti" (l'edizione italiana è uscita nel 2006 per i tipi della Zanichelli, in occasione del centenario della nascita di Majorana). In tale testo (contenente, in totale, circa 500 pagine), oltre ad argomenti "usuali" affrontati in modo molto originale, compaiono anche alcuni argomenti di "frontiera" per la ricerca in Fisica, la cui trattazione, seppur a distanza di più di settant’anni, presenta ancora notevole interesse e utilità. Successivamente, in collaborazione con R. Battiston, A. van der Merwe ed E. Recami, ha poi curato l'edizione inglese del secondo volume degli scritti inediti di Majorana, uscito nel 2009 per i tipi della Springer, riportante materiale di alto interesse scientifico e storico tratto dai 18 "Quaderni" di ricerca dello stesso scienziato.
       Contemporaneamente alla cura della pubblicazione dei "Volumetti" e dei "Quaderni", ha studiato in dettaglio (anche in collaborazione con altri ricercatori) il ruolo di Majorana su alcune questioni particolari di cui si ignorava completamente in precedenza, in quanto tali contributi del grande scienziato non erano mai stati divulgati. Tale è il caso, citato come unico esempio, dello studio del modello atomico di Thomas-Fermi (particolarmente apprezzato dalla comunità scientifica internazionale), in cui Majorana introdusse un interessante metodo di risoluzione dell’'equazione differenziale di Thomas-Fermi che si è poi attualmente rivelato utile anche per la risoluzione di particolari equazioni differenziali non lineari di interesse per le applicazioni fisiche. L'insieme degli accurati studi storico-scientifici sull'opera edita ed inedita di Majorana è poi confluito in un volume onnicomprensivo, uscito nel 2015 per i tipi della Cambridge University Press. A tale volume hanno contribuito, con due saggi sulle applicazioni attuali dei risultati di Majorana, il prof. Evgeny Akhmedov e il premio Nobel per la Fisica 2004 Frank Wilczek.
       Insieme ad A. Drago, ha poi anche scoperto l’'esistenza del testo di sei lezioni inedite (al di fuori del corpus noto di dieci lezioni), svolte da Majorana all'’Università di Napoli durante il corso di Fisica teorica tenutosi nel 1938 prima della sua misteriosa scomparsa. Ciò è stato reso possibile dal ritrovamento del cosiddetto "Documento Moreno", ritrovamento che è stato giustamente portato all'’attenzione del grande pubblico da molti quotidiani locali e nazionali (La Repubblica, l’'Unità, La Stampa, Il Mattino, La Sicilia, L’'Eco di Bergamo, ecc.), nonchè dalla stampa televisiva nazionale e radiofonica austriaca. Il corpus completo delle lezioni napoletane di Majorana è stato pubblicato nel 2006 dall'editore Bibliopolis.
       Gli approfonditi studi scientifici, storici e biografici su Ettore Majorana, nonchè accurate indagini in situ, gli hanno poi permesso di ricostruire dettagliatamente la vicenda umana collegata alla misteriosa scomparsa dello scienziato nel 1938, che gli hanno valso nel 2009 la pubblicazione di un saggio (per i tipi della Liguori) che ha suscitato un vasto interesse sia in ambito nazionale che internazionale.
       In parallelo all'’attività di studio su Majorana, negli ultimi anni si è anche occupato (in collaborazione con M. Leone e su incarico di L. A. Radicati della Scuola Normale Superiore di Pisa) della sistemazione e studio dei documenti presenti nell’'Archivio Wick presso la Biblioteca della Scuola Normale Superiore di Pisa, in cui sono conservate lettere, appunti, libri di Gian Carlo Wick. Tale attività si è concretizzata innanzitutto nella catalogazione e studio della corrispondenza (scientifica e non) di Wick.
       Infine, il ritrovamento di nuovi materiali inediti riguardanti l'opera di Enrico Fermi sulla costruzione e lo sviluppo dei primi reattori nucleari (e della bomba atomica) ha permesso uno studio accurato del ruolo avuto dallo scienziato italiano in tali progetti che, sotto alcuni aspetti, rivela delle caratteristiche particolarmente interessanti quanto inedite. La pubblicazione di parte di tale materiale, in collaborazione con O. Pisanti, è avvenuta per i tipi della World Scientific nel 2010.