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
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.
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.
Calendario
Mon 28/09/15 Lezione Tue 29/09/15 CSN1 Wed 30/09/15 CSN1 Mon 05/10/15 Lezione
Tue 06/10/15 Lezione Wed 07/10/15 Lezione Mon 12/10/15 Lezione Tue 13/10/15 Lezione Wed 14/10/15 Lezione Mon 19/10/15 Lezione Tue 20/10/15 Lezione Wed 21/10/15 Lezione Fri 23/10/15 Recupero Mon 26/10/15 BPAC
Tue 27/10/15 BPAC Wed 28/10/15 Lezione Mon 02/11/15 Lezione Tue 03/11/15 Lezione Wed 04/11/15 Lezione Mon 09/11/15 Lezione Tue 10/11/15 Lezione Wed 11/11/15 Lezione Fri 13/11/15 Recupero Mon 16/11/15 Lezione
Tue 17/11/15 Lezione Wed 18/11/15 Lezione Mon 23/11/15 Lezione Tue 24/11/15 Lezione Wed 25/11/15 Lezione Mon 30/11/15 Lezione
Tue 01/12/15 Lezione Wed 02/12/15 Lezione Mon 07/12/15 S. Ambrogio
Tue 08/12/15 Immacolata Wed 09/12/15 Lezione Mon 14/12/15 Lezione Tue 15/12/15 Lezione Wed 16/12/15 Lezione Mon 21/12/15 Lezione Tue 22/12/15 Lezione
Wed 23/12/15 Vacanze Natale Mon 28/12/15 Vacanze Natale Tue 29/12/15 Vacanze Natale Wed 30/12/15 Vacanze Natale Mon 04/01/16 Vacanze Natale Tue 05/01/16 Vacanze Natale Wed 06/01/16 Vacanze Natale Mon 11/01/16 Lezione
Tue 12/01/16 Lezione Wed 13/01/16 Lezione Mon 18/01/16 Lezione Tue 19/01/16 Lezione Wed 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
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)
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?
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.
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
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
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
