Programma del Corso di Particelle Elementari e Rivelatori C.d.L.S. in Fisica - Anno Accademico 2008/09
Prof. Andrea Bizzeti
E richiesta la conoscenza degli argomenti di base indicati nel programma. Gli approfondimenti (evi-` denziati in corsivo) non sono indispensabili al superamento dell’esame. Lo studente pu`o preparare un argomento a piacere da esporre nei primi 10 minuti dell’esame.
Particelle elementari e loro interazioni.
Leptoni, quark e bosoni di gauge. Equazione di Schr¨odinger relativistica per particelle di spin zero (eq.
di Klein-Gordon) e per particelle di spin 1/2 con o senza massa (eq. di Dirac, eq. di Weyl); elicit`a.
Antiparticelle. Scoperta del positrone. Interazioni e diagrammi di Feynman, particelle virtuali.
I leptoni.
Interazione elettrone-fotone, diagrammi elementari di QED, diagrammi di Feynman per alcuni processi elettromagnetici e loro ordine in α. Range di una interazione; approssimazione di range zero per le interazioni deboli a bassa energia. Leptoni µ e τ , loro decadimenti e universalit`a dell’interazione debole; numeri leptonici. Rivelazione di antineutrini e neutrini di bassa energia (esperimento di Cowan e Reines, esperimento di Davis) e di alta energia.
Massa e mescolamento dei neutrini; oscillazioni di neutrino e loro osservazione. Effetto della materia nel cambiamento di famiglia leptonica dei neutrini solari (effetto Mikheev-Smirnov-Wolfenstein).
Quark e adroni.
Classificazione degli adroni: mesoni, barioni ed antibarioni e loro composizione nel modello a quark.
Numeri quantici interni di quark e adroni. Numeri quantici conservati nelle interazioni forti, elettro- magnetiche e deboli; vite medie (e larghezze di decadimento) tipiche nei decadimenti forti, elettroma- gnetici e deboli. Mesoni π e loro decadimenti; nucleoni; simmetria di isospin tra i quark u e d. Adroni strani, stranezza e produzione associata, quark s. Adroni contenenti quark c o b. Misura della massa e della larghezza di decadimento di adroni a vita media corta (risonanze mesoniche e barioniche).
Acceleratori di particelle.
Energia disponibile nel s.d.r. del centro di massa in collisioni fascio-bersaglio e in collisioni fascio-fascio;
luminosit`a. Acceleratori lineari elettrostatici, LINAC a tubi di deriva, LINAC a onda progressiva, stabilit`a di fase.
Il sincrotrone. Oscillazioni di betatrone, focheggiamento debole e focheggiamento forte. Oscillazioni di sincrotrone e stabilit`a di fase. Radiazione di sincrotrone.
Sistemi di acceleratori in cascata. Fasci secondari.
Interazione particelle-materia.
Interazioni forti a corto range adrone-nucleo, lunghezza di interazione e lunghezza di assorbimento.
Interazione elettromagnetica delle particelle cariche. Perdita di energia per ionizzazione, formula di Bethe-Bloch. Range. Fluttuazioni nell’energia depositata. Radiazione di frenamento, lunghezza di ra- diazione, energia critica. Diffusione coulombiana multipla. Interazione γ-materia: effetto fotoelettrico, effetto Compton, creazione di coppie e+e−; sezione d’urto e lunghezza di attenuazione.
Rivelatori di particelle.
Caratteristiche dei rivelatori. Rivelatori a lettura non elettronica: emulsioni nucleari, camere a nebbia e camere a bolle. Rivelatori di ionizzazione a gas. Camere a ionizzazione. Camere a fili: moltiplicazione a valanga della ionizzazione; camere multi-wire; camere a deriva; camere a proiezione temporale (TPC) e ricostruzione tridimensionale delle tracce. Rivelatori a gas a micro-pattern. Rivelatori a semiconduttore per la rivelazione di particelle cariche. Spettrometri magnetici.
Rivelatori a scintillazione (organici ed inorganici). Il tubo fotomoltiplicatore. Rivelatori ˇCerenkov a soglia e ad immagine (differenziali, RICH, traccianti).
Cascate elettromagnetiche: modello di Rossi e sviluppo longitudinale, raggio di Moli`ere e dimensioni trasverse. Cascate adroniche. Calorimetri elettromagnetici e calorimetri adronici.
Apparati di misura per esperimenti a bersaglio fisso e per esperimenti ai collider. Esperimento UA1 al collisore Sp¯pS del CERN e scoperta dei bosoni W±e Zo. Esperimento CDF al Tevatron del Fermilab.
Simmetrie spazio-temporali.
Simmetrie, invarianza e leggi di conservazione. Invarianza per traslazione e conservazione della quan- tit`a di moto, invarianza per rotazione e conservazione del momento angolare. Invarianza per riflessione spaziale e parit`a, parit`a intrinseca delle particelle, conservazione della parit`a nelle interazioni forti ed elettromagnetiche. Parit`a di fermioni ed antifermioni, di mesoni e barioni, del para-positronio. Coniu- gazione di carica e C-parit`a. C-parit`a di coppie di pioni, di coppie fermione-antifermione, del fotone e dei mesoni π0 ed η. Inversione temporale, misura dello spin del pione carico. Simmetrie CP e CPT.
Adroni, modello a quark e interazione forte.
Multipletti di massa; ipercarica e isospin; simmetria di isospin. Adroni leggeri: supermultipletti mesonici e barionici e loro interpretazione nel modello a quark; masse dei quark u, d, s. Ipotesi del colore. Confinamento del colore e stati adronici previsti.
Stati legati di quark ed antiquark pesanti (charmonio, bottomio), loro scoperta e determinazione dei loro numeri quantici; spettroscopia di charmonio e bottomio e modello di potenziale Q ¯Q. Teorie di gauge: QED, QCD e gluoni. Propriet`a dell’interazione forte in QCD. Annichilazioni e+e−→ adroni:
eventi a 2 ed a 3 jet, spin del quark e del gluone, sezione d’urto e numero di colori dei quark.
Diffusione elastica leptone carico-nucleone, fattori di forma, raggio del protone. Diffusione anelastica leptone carico-nucleone, invarianti relativistici, funzioni di struttura. Invarianza di scala, modello a partoni, spin dei quark. Violazione di scaling e QCD, frazione della quantit`a di moto del nucleone trasportata dai quark.
Interazioni deboli.
Bosoni W± e Zo, interazione di corrente carica e di corrente neutra, range dell’interazione debole.
Interazione debole di corrente carica: vertici W lν e W q ¯q, universalit`a leptoni-quark e mescolamento dei quark. Decadimenti dei bosoni W± e dei quark pesanti (s, c, b, t). Scoperta del quark t.
Interazione debole di corrente neutra: vertici Zν ¯ν, Zl−l+, Zq ¯q, assenza di correnti deboli neutre con cambiamento di sapore.
Teoria elettrodebole, angolo di Weinberg, condizioni di unificazione e di anomalia.
Formazione della Z0 in collisioni e+e−, suoi decadimenti, determinazione del numero delle famiglie leptoniche. Produzione di coppie W+W− in collisioni e+e−.
Problema della massa e meccanismo di Higgs; bosone di Higgs e sua ricerca.
Parit`a, C-parit`a e CP nelle interazioni deboli.
Violazione della parit`a e della C-parit`a nelle interazioni deboli. Decadimento del muone polarizzato, decadimento del pione carico, elicit`a del neutrino, dipendenza dallo spin dell’interazione debole.
I mesoni Koe ¯Ko: mescolamento, autostati di stranezza ed autostati di CP; KS e KLe loro principali decadimenti. Rigenerazione dei KS; oscillazioni di stranezza. Scoperta della violazione della simmetria CP. Violazione diretta ed indiretta di CP. I mesoni Bo e ¯Bo: mescolamento e violazione di CP.
Problemi aperti in fisica delle particelle elementari.
Teorie di grande unificazione e teorie supersimmetriche; materia oscura; asimmetria materia-antimateria.
Astronomia neutrinica; neutrini con massa di Dirac e/o di Majorana, meccanismo see-saw.
Testo consigliato:
- B.R. Martin, G. Shaw, Particle Physics (3nd edition), Wiley 2008 Modena, 22/01/2008
