La fisica teorica delle interazioni fondamentali si occupa di descrivere le interazioni e la propagazione delle particelle elementari quali elettroni, neutrini e quark, i costituenti di protoni e neutroni. Per tali particelle le leggi della fisica classica non possono essere applicate, ma occorre bensì utilizzare i principi della meccanica quantistica e della relatività. La teoria che oggigiorno viene utilizzata per descrivere tali interazioni è la Teoria dei Campi Quantistica. Sulla base dei principi di tale teoria, negli anni '70 è stato formulato il Modello Standard delle interazioni elettrodeboli e forti, che spiega le interazioni delle particelle con una precisione di una parte su mille. La conferma definitiva della validità di tale modello è stata la recente scoperta del bosone di Higgs presso il CERN di Ginevra. Tuttavia esistono una serie di osservazioni sperimentali (massa dei neutrini, presenza nell'universo di materia oscura, espansione accelerata dell'universo) che non possono essere spiegate all'interno del Modello Standard. Inoltre diverse difficoltà teoriche tuttora non risolte (l'incapacità del Modello Standard di includere la gravità, il problema delle gerarchie, il problema della violazione forte di CP, etc.) suggeriscono che il Modello Standard non sia una teoria completa e che, ad energie piu alte, esso vada esteso. Per questa ragione i fisici delle interazioni fondamentali hanno considerato e stanno attivamente studiando un gran numero di estensioni del Modello Standard, che spaziano da semplici varianti del modello fino a teorie profondamente nuove come la teoria delle stringhe. In tutti questi modelli la Teoria dei Campi continua a svolgere un ruolo centrale. Il suo studio, sia per sviluppare nuovi metodi computazionali ad essa applicabili che per approfondire la nostra comprensione della sua struttura matematica, è pertanto essenziale per il progresso della fisica delle interazioni fondamentali. In questo dipartimento sono presenti diverse linee di ricerca in fisica teorica:
- Campi e Stringhe
- Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali
- Meccanica Quantistica e Fisica Matematica
- Teoria Statistica dei Campi