A.A. 2009/2010

  Elementi di Fisica Nucleare e Subnucleare (Modulo I e Modulo II)

  Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare (Corso annuale - Vecchio ordinamento)
 


 

Contenuti disciplinari

MODULO I

Richiami di struttura atomica della materia. Il fenomeno della radioattivita`. Interazioni delle radiazioni con la materia. Struttura del nucleo e generalita` sulle proprieta` nucleari: dimensioni dei nuclei; massa ed energia di legame; spin, momenti elettrici e momenti magnetici. Fusione nucleare. Fissione nucleare.

Raggi cosmici. Rivelatori di particelle. Acceleratori di particelle. Classificazione delle particelle elementari. Generalita` sulle interazioni fondamentali. Nuovi numeri quantici e leggi di conservazione. Processi elementari e diagrammi di Feynman. L'interazione elettromagnetica. Elementi qualitativi di QED. L'interazione forte. Il modello a Quark. Elementi qualitativi di QCD.

MODULO II

Modelli nucleari: modello a shell; modello vibrazionale; modello rotazionale. Isospin. La forza nucleone-nucleone e il deutone. Decadimenti alfa, beta e gamma. Nucleosintesi.

Elementi qualitativi di QCD (II). L'interazione debole e lo spin isotopico debole. Correnti deboli cariche e bosoni W. Connessione elettro-debole nel Modello di Glashow-Weinberg-Salam. Correnti deboli neutre e bosone Z0.

 

Programma dettagliato
 

Ai vari argomenti del programma che segue, sono associati i capitoli e i paragrafi dei testi consigliati (tramite una sigla del nome degli autori) sui quali e` possibile studiare ed eventualmente approfondire l'argomento.

Corrispondenza:

KK = K.S. Krane "Introductory Nuclear Physics"
RC = R.F. Casten "Nuclear Structure from a simple perspective"
SW = S.M. Wong "Introductory Nuclear Physics" (N.B. ci sono due edizioni: ed. 1990 e ed. 1998)
ES = E.Segre` "Nuclei e particelle"
H&W = H.Haken e H.C.Wolf "The Physics of Atom and Quanta"
FLS = Feynman, Leighton e Sands "The Feynman Lectures on Physics" - Vol II
M&S = B.R. Martin e G.Shaw "Particle Physics"
GG = G. Giacomelli "Introduzione alla Fisica delle Particelle Elementari"
G&W = K. Gottfried e V.F. Weisskopf "Concepts of Particle Physics"
 

MODULO I

NUCLEARE (Prof. G.C. Bonsignori)

Richiami di struttura atomica.
(H&W Cap. da 1 a 6)

L'elettrone.
(H&W 6 - FLS 28)

Isotopi e spettrografo di massa.
(H&W 6 - KK 3.2)

Cinematica relativistica.
(Lezioni)

Il fenomeno della radioattivita` e applicazioni.
(KK 6) e (KK 20)

Interazione delle radiazioni con la materia.
(KK 7.1 - ES 2.1, da 2.3 a 2.6)

Effetti fotoelettrico, Compton e creazione di coppie.
(ES 2.9)

Reazioni nucleari.
(KK 11.1, 11.2, 11.4, 11.5)

Scattering Rutherford.
(KK 11.6, 11.7 - SW 4.2 ed. 1990; SW 4.1 ed. 1998)

Dimensioni dei nuclei.
(KK 3.1 - SW 4.3 ed. 1990; SW 4.2 ed. 1998)

Massa ed energia di legame dei nuclei.
(KK 3.3 - SW 4.11 ed. 1990; SW 4.12 ed. 1998)

Spin, momenti elettrici e magnetici dei nuclei.
(KK 5.1, da 16.1 a 16.3 pag. 627-634)

Fissione nucleare.
(KK da 13.1 a 13.3, 13.6, 13.7)

Fusione nucleare.
(KK da 14.1 a 14.3)

Materiale didattico sara` distribuito a lezione.

SUBNUCLEARE (Prof. F.Fabbri)

I raggi cosmici. Scoperta dei R.C.- R.C. primari - Sciami atmosferici.
(GG. 18.2, 18.2.1, 18.2.2)

Rivelatori di particelle. Caratteristiche generali dei rivelatori - Tecniche visualizzanti: camera a nebbia ; camera a bolle ; emulsioni nucleari - Tecniche elettroniche: camera a ionizzazione ; contatore Geiger ; camera proporzionale ; camera a fili ; camera a deriva ; contatori a scintillazione ; contatori Cherenkov ; calorimetri
(Fotocopia lucidi - M&S da 3.3.1 a 3.3.5 - GG 4.1, 4.2, da 4.3.1 a 4.3.7, 4.4, 4.8, 4.9, 4.11)

Acceleratori di particelle. Principi di funzionamento - Acceleratori elettrostatici: Van de Graaf ; Cockroft-Walton - Acceleratori lineari - Acceleratori circolari: ciclotrone ; sincrociclotrone ; sincrotrone - Collisionatori - Sistemi di acceleratori.
(Fotocopia lucidi - GG da 2.1 a 2.8 - M&S 3.1)

Proliferazione delle particelle elementari. La scoperta del positrone - La scoperta del muone - La scoperta dei mesoni e dei barioni - La scoperta dei neutrini - Masse e vite medie.
(Fotocopia lucidi - M&S 1.2, 2.1, 2.2 - KK 17.1, 17.2)

Generalita` sulle interazioni fondamentali ad alta energia. L'interazione come scambio di "quanta" virtuali - Costanti di accoppiamento - Le quattro interazioni fondamentali. Sezioni d'urto.
(Fotocopia lucidi - M&S 1)

Nuovi numeri quantici e leggi di conservazione. Numero barionico - Numero leptonico - Stranezza, charm e beauty.
(G&W D2 - KK 17.5, 18.2)

Cenni sui diagrammi di Feynman. Vertici - Linee esterne e linee interne - Rappresentazione dei processi fisici - Crossing e coniugazione di carica - Diagrammi di ordine superiore.
(Fotocopia lucidi - M&S 1.3 - G&W C4, C5)

Elementi qualitativi di QED. Il fotone come mediatore dell'interazione elettromagnetica fra cariche elettriche - Il vertice elementare - Diffusione, annichilazione e creazione di coppie e+e- - Scattering Moeller, Bhabha e Compton. Creazione e annichilazione di coppie di fermioni elettricamente carichi - Universalita` leptonica - Il vuoto quantistico in QED - Polarizzazione del vuoto e "running coupling constant"
(Fotocopia lucidi - GG da 11.5 a 11.8)

L'ipotesi dei quark. Necessita` di introdurre una nuova interazione - Caratteristiche generali dell'interazione forte - Stati eccitati del nucleone e suoi decadimenti tramite emissione di pioni - Multipletti di spin isotopico - Osservazione di regolarita` nei mesoni e nei barioni - Supermultipletti e modello statico a quark - Simmetria SU(3) di sapore e regole di combinazione - Successi e problemi connessi al modello statico.
(Fotocopia lucidi - KK 18.3 - G&W da E1 a E6)

Interazioni forti ed elementi qualitativi di QCD. L'ipotesi del colore - Stati legati incolori di quark e regole di combinazione - Simmetria SU(3) di colore - I gluoni come mediatori dell' interazione forte fra cariche di colore - I vertici elementari della teoria e l'accoppiamento forte.
(Fotocopia lucidi - KK 18.4 - M&S 7.1)

Liberta` asintotica e confinamento. Il vuoto quantistico in QCD - Schermatura e antischermatura del colore - "running" della costante di accoppiamento forte e sue conseguenze: liberta` asintotica e confinamento.
(Fotocopia lucidi - M&S 7.1)
 

MODULO II

NUCLEARE (Prof. G.C. Bonsignori)

Modelli nucleari.
(KK da 5.1 a 5.3)

Modello a shell.
(SW da 6.5 a 6.9 ed. 1990 ; SW da 7.1 a 7.4 ed. 1998 - RC 1.4, 1.5, da 3.1 a 3.4, 4.1)

Modello vibrazionale.
(SW 6.1)

Modello rotazionale.
(SW 6.3)

Isospin.
(RC 3.5 - KK 11.3 - SW 2.3)

La forza N-N e il deutone.
(KK da 4.1 a 4.5 - SW da 3.6 a 3.9 ed. 1990 ; SW Cap. 3 ed. 1998)

Decadimento ALFA.
(KK da 8 a 8.5)

Decadimento BETA.
(KK da 9 a 9.9 - SW 5.4 ed. 1990 ; SW 5.5 e 5.6 ed. 1998)

Decadimento GAMMA.
(KK da 10 a 10.7 - SW 5.2 e 5.3 ed. 1990 ; SW 5.3 e 5.4 ed. 1998)

Nucleosintesi.
(KK 19 - SW 1.4 ed. 1990 ; SW da 10.2 a 10.6 ed. 1998)

Materiale didattico sara` distribuito a lezione.

SUBNUCLEARE (Prof. F. Fabbri)

Jets di adroni. Il processo di adronizzazione - Stati finali multiadronici - Il processo e+e- --> adroni e il rapporto R - La produzione di Jets collimati di adroni nelle interazioni di alta energia.
(Fotocopia lucidi - G&W E7 - M&S 7.2 - KK 18.5, 18.6, 18.7)

Interazioni deboli cariche ed elementi qualitativi di QFD. Processi deboli leptonici, semileptonici, non leptonici - Caratteristiche delle correnti deboli cariche - I bosoni W come mediatori dell'interazione debole di corrente carica - I vertici elementari e l'accoppiamento debole - Quark mixing e matrice CKM - Universalita` quark-leptoni - Violazione della parita`.
(Fotocopia lucidi - M&S 8.2, 8.3 - G&W E9)

Interazioni deboli neutre. Spin isotopico debole - Modello di Glashow-Weinberg-Salam e previsione dell'esistenza di una interazione debole di corrente neutra - Connessione elettrodebole e bosone Z0 - Angolo di Weinberg - Osservazione sperimentale delle correnti neutre - Rivelazione sperimentale dei bosoni vettori W e Z0.
(Fotocopia lucidi - G&W E10 - M&S 9.1)

Generalita` sul Modello Standard. Le famiglie dei quark e dei leptoni - Il problema delle masse dei bosoni vettori e il meccanismo di Higgs - Accoppiamenti fra bosoni vettori - Alcune verifiche sperimentali del M.S. - Motivi di insoddisfazione legati al M.S. - Oltre il M.S. ?
(Fotocopia lucidi - G&W E12 - M&S 9.1 - KK 18.8)

 

  N.B. L'insieme dei programmi dei Moduli I e II costituiscono il programma del corso annuale di
Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare.