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

1. Richiami e connessione teoria-esperimento.  Meccanica Quantistica.  Quantità osservabili. Descrizione quanto-meccanica della particella libera. Le antiparticelle come stati ad energia negativa dell'equazione di Dirac. La previsione e la scoperta dell'anti-elettrone. Funzione d'onda in un potenziale statico. Richiami sull'equazione di Schrodinger. L'equazione di Klein-Gordon e sua risoluzione. Il propagatore bosonico.  Potenziale a corto range soluzione dell'equazione di Klein-Gordon

2. 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.

3. Analisi preliminare delle interazioni fondamentali. 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).

4. 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.

5. Interazioni tra adroni e modello statico a quark. 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. L'isospin forte e la sua terza componente.

I quarks "u" e "d". I pioni. Decadimento elettromagnetico del p0. La scoperta di nuove particelle soggette ad interazioni forti.  Le risonanze. La risonanza D++. La formula di Brait-Wigner per le risonanze. Prime indicazioni di un modello a quark degli adroni. 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".

6. 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, neutrini, violazione di alcune grandezze altrimenti conservate.Calcolo con la teoria perturbativa della costante GF di Fermi. Misura di GF  dalla vita media del neutrone.  Universalità delle interazioni deboli. 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.

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

7. 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 piu' 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.

Testi/Bibliografia

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

http://www.springer.com/physics/elementary/book/978-88-470-1160-1
Springer- UNITEXT  - 528 Pagine, 32 euro
ISBN: 978-88-470-1160-1

Esercizi scaricabili anche da: http://www.bo.infn.it/~spurio/particelle.htm

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.

Strumenti a supporto della didattica

Libro di testo appositamente scritto.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Maurizio Spurio