Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare – Prof. A. Andreazza

Introduzione

Presentazione

•  Prof. Attilio Andreazza •  Contatti:

–  uff.: IV piano edificio LITA: sono sempre disponibile a parlare degli argomenti del corso, ma vi invito a concordare preventivamente un orario per e-mail.

–  e-mail: attilio.andreazza@unimi.it –  tel.: +39-02-503-17375

•  Siti web: –  didattica: http://www2.fisica.unimi.it/andreazz –  ricerca e personale: http://www.mi.infn.it/~andreazz

•  Attività di ricerca: –  Fisica delle particelle elementari nell’esperimento ATLAS al Large Hadron

Collider del CERN (prima in DELPHI, al Large Electron Positron collider). –  Rivelatori traccianti in silicio ad alta precisione. –  Processi che coinvolgono particelle a vita media breve (~10-12 s): quark b,c,

leptoni τ

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Programma

NUCLEI E LORO PRORIETÀ 1.  La sezione d’urto. Spazio delle fasi.

Regola d’oro di Fermi. 2.  Generalità sui nuclei. Curva di stabilità. 3.  Formula semiempirica di Weizsacker. 4.  Leggi del decadimento radioattivo.

Decadimento alfa. 5.  Decadimento beta. Cattura elettronica. 6.  Emissione gamma. 7.  Interazioni elettromagnetiche, i fattori

di forma nucleari. 8.  Il modello a gas di Fermi. 9.  Il deutone e l’interazione nucleone-

nucleone. 10.  Il modello a shell. 11.  Reazioni di nucleo composto e reazioni

dirette. 12.  La fissione nucleare.

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PARTICELLE E INTERAZIONI 1.  Simmetrie (parità, coniugazione di

carica e inversione temporale) e i principi di conservazione.

2.  Nucleoni, barioni, mesoni e loro composizione in quarks.

3.  Generalità sulle famiglie di particelle – processi di produzione e interazione.

4.  La violazione della simmetria di CP nel decadimento dei kaoni.

5.  Diffusione profondamente anelastica ed evidenza dei quarks.

6.  Decadimenti degli adroni e vite medie. Risonanze.

7.  Forza debole: i bosoni mediatori della forza e gli effetti sui quarks.

CENNI DI FISICA COSMICA 1.  Evoluzione dell’Universo primordiale. 2.  La nucleosintesi nelle stelle.

Libri di testo

•  A. Das and T. Ferbel. Introduction to nuclear and particle physics - 2. ed. World Scientific, 2003

•  Bogdan Povh Particelle e nuclei: un'introduzione ai concetti fisici Bollati Boringhieri, 1998.

•  Kenneth S. Krane Introductory Nuclear Physics John Wiley and Sons, 1988

•  Donald H. Perkins. Introduction to high energy physics - 4. ed. Cambridge University Press, 2000.

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Calendario

5

Mon 28/09/15 LezioneTue 29/09/15 CSN1Wed 30/09/15 CSN1Mon 05/10/15 LezioneTue 06/10/15 LezioneWed 07/10/15 LezioneMon 12/10/15 LezioneTue 13/10/15 LezioneWed 14/10/15 LezioneMon 19/10/15 LezioneTue 20/10/15 LezioneWed 21/10/15 Lezione

Fri 23/10/15 RecuperoMon 26/10/15 BPACTue 27/10/15 BPACWed 28/10/15 LezioneMon 02/11/15 LezioneTue 03/11/15 LezioneWed 04/11/15 LezioneMon 09/11/15 LezioneTue 10/11/15 LezioneWed 11/11/15 Lezione

Fri 13/11/15 RecuperoMon 16/11/15 LezioneTue 17/11/15 LezioneWed 18/11/15 LezioneMon 23/11/15 LezioneTue 24/11/15 LezioneWed 25/11/15 LezioneMon 30/11/15 Lezione

Tue 01/12/15 LezioneWed 02/12/15 LezioneMon 07/12/15 S. AmbrogioTue 08/12/15 ImmacolataWed 09/12/15 LezioneMon 14/12/15 LezioneTue 15/12/15 LezioneWed 16/12/15 LezioneMon 21/12/15 LezioneTue 22/12/15 LezioneWed 23/12/15 Vacanze NataleMon 28/12/15 Vacanze NataleTue 29/12/15 Vacanze NataleWed 30/12/15 Vacanze NataleMon 04/01/16 Vacanze NataleTue 05/01/16 Vacanze NataleWed 06/01/16 Vacanze NataleMon 11/01/16 LezioneTue 12/01/16 LezioneWed 13/01/16 LezioneMon 18/01/16 LezioneTue 19/01/16 LezioneWed 20/01/16 Lezione

Modalità d’esame

•  Esame orale –  copre l’intero programma –  approfondire un argomento a scelta –  esercizi di carattere numerico da svolgersi durante l’esame

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L’inizio della fisica sub-atomica A. Pais, Review of Modern Physics 49 (1977) 925

•  Alla fine del 1800 è assodata la struttura atomica della materia. •  Si conoscono le interazioni gravitazionali ed elettromagnetiche.

•  1896: Henri Bequerel scopre la radioattività (trasmutazioni atomiche)

•  1897: Joseph John Thompson scopre l’elettrone (particella con e/m ~2000 volte maggiore degli ioni noti)

•  1898: Marie Curie dimostra che la radioattività dell’uranio è una proprietà atomica, con Pierre Curie osserva la radioattività del torio, ed isola polonio e radio.

•  1899: Rutherford osserva che la radioattività ha una componente assorbita rapidamente (α, nel 1909 identificata come atomi di He doppiamente ionizzati) ed una più penetrante (β, rapidamente identificata come elettroni)

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Nobel per la Fisica 1903

Nobel per la Fisica 1906

Nobel per la Fisica 1903 e per la Chimica 1911

Nobel per la Chimica 1908

L’inizio della fisica sub-atomica

•  Si tratta di scoperte completamente inaspettate: –  Non è stata ancora scoperta la struttura dell’atomo. –  Non è stata ancora formulata la meccanica quantistica. –  Non è stata ancora formulata la teoria della relatività.

•  Sono fenomeni che non trovano collocazione nella fisica classica e destinati a cambiare radicalmente la visione del mondo fisico. –  Fenomeni atomici hanno scale di energia dell’eV (1.6×10-19 J).

Nelle disintegrazoni radioattive le energie in gioco sono dell’ordine del MeV

Quale processo fisico fornisce questa energia? –  Il processo di decadimento radioattivo è puramente casuale:

non si può predire quando avverrà e fino a quel momento un atomo è indistinguibile dagli altri dello stesso elemento

Come si può interpretare questa osservazione?

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L’inizio della fisica sub-atomica

•  Ci vogliono 10 anni per ricondurre queste osservazioni ad un nucleo atomico: –  1911: Rutherford dimostra la struttura nucleare dell’atomo –  1914: Bohr conclude che la radiazione β è di origine nucleare

•  Ed altri 20 anni per completare il quadro dei costituenti della materia ordinaria: –  1930: Pauli ipotizza l’esistenza del neutrino –  1932: Chadwick osserva il neutrone e Heisemberg costruisce il

modello di nucleo costituito da protoni e neutroni. –  1934: Teoria di Fermi del decadimento β

•  Alle interazioni gravitazionale ed elettromagnetica classiche si aggiungono le interazioni (nucleari) deboli e le interazioni (nucleari) forti. –  Descrizione puramente quantistica delle nuove interazioni.

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Meccanica quantistica + Relatività

•  Per descrivere questi fenomeni bisogna combinare sia la meccanica quantistica che la relatività generale. –  Esistenza dell’anti-materia (Dirac) –  1932: Anderson osserva il positrone

•  ...si arriva alla teoria quantistica dei campi –  interazioni mediate dallo scambio di particelle mediatrici

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Di che cosa ci occuperemo

Scale di energia •  (fisica atomica 1 eV) •  processi nucleari 1-10 MeV •  interazioni ad alta energia

fino a 1 TeV

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Scale di lunghezza •  (fisica atomica 10-10 m) •  strutture nucleari 10-15 m •  range interazioni deboli 10-18 m

Intensità delle interazioni •  forti αs~1/ln(Q2/Λ2)

(O(1) per scambi di energia Q~Λ~200 MeV)

•  elettromagnetiche α=1/137 •  deboli GFQ2, GF=1.16 10-5 GeV-2

Spettroscopia •  classificazione degli stati e livelli

energetici •  interazioni e simmetrie •  larghezze di decadimento

Scattering •  fasci di momento p permettono

di risolvere strutture di dimensione della lunghezza d’onda di De Broglie λ~ħ/p

•  sezioni d’urto

Di cosa ci occuperemo

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