67115 - FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente ha familiarità: - con la fisica dei nuclei (modelli nucleari, valle di stabilità, fusione e fissione nucleare), con particolare riguardo alle reazioni che avvengono in ambito astrofisico, coi costituenti ultimi della materia (quark e leptoni) e con le loro interazioni reciproche (interazioni forti, interazioni deboli).

Contenuti

Perché studiare fisica nucleare e subnucleare in un corso di Astronomia. Relazioni tra astrofisica, cosmologia e mondo submicroscopico. Dagli atomi ai quark: dalla fisica atomica a quella sub-nucleare. Scale di distanza ed energia. (Cap. 1 libro di testo)

Aspetti fondamentali di fisica dei nuclei . L'esperimento di Rutherford per la determinazione della struttura atomica e dimensioni nucleari. Proprietà generali dei nuclei. Nuclei stabili. Carta dei nuclidi. Lo spettrometro di massa per la determinazione della massa dei nuclei. Energia di legame nucleare. La valle di stabilità. Dimensioni nucleari tramite misure di scattering. La distribuzione di carica nei nuclei. Modelli nucleari: il nucleo come aggregato di nucleoni nel modello a goccia. Energia di legame per nucleone in funzione di A: determinazione sperimentale. La formula semiempirica per l'energia di legame nucleare. Prime indicazioni sulla struttura in termini di quark e gluoni dei nucleoni. Reazioni nucleari: esempi di reazioni nucleari. Fissione spontanea. Fissione nucleare indotta. Fusione nucleare. (Cap. 1 e 14 libro di testo)

Decadimenti radioattivi e datazione . Cos'è un decadimento radioattivo di un nucleo. La legge del decadimento: descrizione fenomenologica. Vita media e tempo di dimezzamento. Attività di un nucleo e misura della radioattività. Tecniche di datazione. Datazione con il radiocarbonio.  Decadimenti radioattivi: il decadimento alfa. Generalità sul decadimento beta. Decadimento di nuclei di massa pari.  Decadimento di nuclei di massa dispari. Valle di stabilità. Decadimenti gamma. (Cap. 1 e 14 libro di testo)

Dal macrocosmo al microcosmo.   Richiami di Meccanica Quantistica.  Quantità osservabili. Descrizione quanto-meccanica della particella libera. Funzione d'onda in un potenziale statico. Richiami sull'equazione di Schrodinger. Le antiparticelle come stati ad energia negativa dell'equazione di Dirac. La previsione e la scoperta dell'anti-elettrone. Dettagli sperimentali sulla scoperta del positrone. Visualizzazione di tracce cariche in moto in campo magnetico. Perdita di energia per eccitazione/ionizzazione. Radiazione di frenamento. Generalità sui rivelatori di particelle. L'equazione di Klein-Gordon e sua risoluzione. Il propagatore bosonico.  Potenziale a corto range soluzione dell'equazione di Klein-Gordon. (Cap. 2, 3 e 4 libro di testo)

Leptoni, quarks ed adroni.  La scoperta di nuove particelle elementari.  Richiami su tecniche di rivelazione e rivelatori di particelle elementari. La teoria di Yukawa delle interazioni nucleari. La scoperta del pione e del muone nei Raggi cosmici. Il concetto di sezione d'urto. Leptoni e quark. Famiglie di leptoni e quark. Diagrammi di Feynman. Introduzione alle quattro interazioni fondamentali. La costante di accoppiamento delle interazioni gravitazionali.  La costante di accoppiamento per le interazioni elettromagnetiche (costante di struttura fine). Caratteristiche generali delle interazioni elettromagnetiche, in termini di sviluppo perturbativo. Probabilita' di transizione in MQ.  Calcolo della probabilità di transizione W con la teoria perturbativa.  Connessione tra W con le quantita' misurabili sperimentalmente (vite medie di particelle, sezioni d'urto).  (Cap. 4 e 5 libro di testo)

Principi di invarianza e conservazione in fisica delle particelle.   Parità, coniugazione di carica, inversione temporale. Violazione di CP. Generalità sul decadimento delle particelle elementari: conservazione della carica elettrica, del numero leptonico e barionico. Effetto sulla asimmetria materia-antimateria nell'Universo (Cap. 6 libro di testo)

Le interazioni deboli.  L'ipotesi di Pauli del neutrino per la conservazione dell'energia nel decadimento beta. La costante di accoppiamento per le interazioni deboli. Caratteristiche generali delle interazioni deboli: vita media, sezioni d'urto, violazione di alcune grandezze altrimenti conservate. Calcolo con la teoria perturbativa della costante G di Fermi. Misura di G dalla vita media del neutrone.  Universalità delle interazioni deboli. La regola di Sargent per la vita media dei decadimenti beta nucleari. (Cap. 8 libro di testo)

I neutrini. Descrizione dettagliata dell'esperimento di Reines e Cowan per la scoperta del neutrino dell'elettrone. Confronto tra il valore misurato e quello valore atteso della sezione d'urto del neutrino nell'ambito della teoria di Fermi. L'elicità del neutrino: neutrini sinistrorsi e antineutrini destrorsi.I neutrini muonici: descrizione della procedura di realizzazione di un fascio di di neutrini muonici in acceleratori di particelle. Identificazione di elettroni e muoni. Differenza tra nu_e e nu_mu. Conservazione del numero leptonico per i diversi tipi di leptoni. Conseguenze astrofisiche connesse alle proprietà del neutrino (reazioni nucleari nelle stelle, collasso gravitazionale stellare) (Cap. 8 libro di testo)

Modello statico a quark e interazioni tra adroni.   Introduzione alle particelle composte da quark: gli adroni. Barioni e Mesoni. Sezioni d'urto e vite medie caratteristiche delle particelle con interazioni forti. Prime indicazioni sulla simmetria protone/neutrone per le interazioni forti. I quarks "u" e "d". I pioni. Decadimento elettromagnetico del pi0. La scoperta di nuove particelle soggette ad interazioni forti.  Le risonanze. Il decupletto barionico con J=3/2. La scoperta dell'ultima particella. L'ottetto barionico con J=1/2. I mesoni pseudoscalari e vettoriali. La simmetria della funzione d'onda per i vari multipletti. Prime indicazioni del numero quantico di colore. Il quark "s" ed il numero quantico di stranezza. La produzione associata di quark ed antiquark strani. "Le masse dei quarks. Esempi di alcuni adroni "stabili". (Cap. 7 libro di testo)

Scoperte con macchine e+e-: nuovi quark e il numero quantico di colore.   Generalità sui collisionatori e+e- : da AdA al LEP.  La scoperta nei collisionatori dei quark più pesanti. La sezione d'urto elettromagnetica e+e- -->mu+ mu-. La sezione d'urto e+e- --> adroni. Il rapporto R. Evidenza sperimentale sul numero quantico di colore dal rapporto R. Acceleratori a targhetta fissa e collider. Differenza nella produzione di particelle ed energia nel centro di massa. Descrizione fenomenologica del confinamento dei quark negli adroni. Livelli energetici del charmonio e stima della costante di accoppiamento per le interazioni forti. Estensione alle alte energia del modello di Fermi delle interazioni deboli: la previsione dei vettori bosoni intermedi W+,W- e Z0. La scoperta dei bosoni vettori al collider del CERN ed al LEP. (Cap. 9 libro di testo)

Particelle, astrofisica e cosmologia. Prospettive finali sull'astrofisica multi-messenger. 

Testi/Bibliografia

S. Braibant,G.Giacomelli, M. Spurio: PARTICELLE E INTERAZIONI FONDAMENTALI

http://www.springer.com/physics/particle+and+nuclear+physics/book/978-88-470-2753-4
Springer-UNITEXT - 528 Pagine, 32 euro
ISBN: 978-88-470-1160-1

Esercizi scaricabili anche da: http://www.springer.com/physics/particle+and+nuclear+physics/book/978-94-007-4134-8

Altri testi:

-I.S. Hugues, Elementary particles (3rd ed.)- Cambridge

-D. Griffiths, Introduction to elementary particles (2nd ed.) - Wiley-VCH

-E.M. Henley, A. Garcia, Subatomic Physics, World Scientific

Metodi didattici

Lezioni frontali con l'ausilio di PC e videoproiettore.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prova orale.   La prova consiste nella discussione di tre argomenti affrontati nel corso; uno dei tre argomenti è a scelta dello studente.

Strumenti a supporto della didattica

Lezioni frontali.

Approfondimenti possibili su libro di testo appositamente scritto.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Marco Cuffiani

Consulta il sito web di Maurizio Spurio