Programma del Corso di Particelle Elementari e Rivelatori C.d.L.S. in Fisica - Anno Accademico 2007/08
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 e loro conservazione. Rivelazione di antineutrini e neutrini di bassa energia e di alta energia.
Gli adroni.
Classificazione degli adroni: mesoni, barioni ed antibarioni e loro composizione nel modello a quark.
Numeri quantici interni di quark e adroni. Vita media (e larghezza di decadimento) tipica nei decadi- menti forti, elettromagnetici e deboli. Mesoni π e loro decadimenti. Nucleoni e isospin dei quark u e d.
Adroni strani, stranezza e produzione associata, quark s. Numeri quantici conservati nelle interazioni forti, elettromagnetiche e deboli.
Interazione particelle-materia.
Interazione elettromagnetica delle particelle cariche. Perdita di energia per ionizzazione, formula di Bethe-Bloch. Fluttuazioni nell’energia depositata. Range. Raggi δ. Radiazione di frenamento, lunghezza di radiazione, energia critica. Diffusione coulombiana multipla. Effetto ˇCerenkov. Radia- zione di transizione. Interazioni forti a corto range adrone-nucleo, lunghezza di interazione nucleare.
Interazione debole a corto range dei neutrini.
Interazione γ-materia, cascate elettromagnetiche e cascate adroniche.
Effetto fotoelettrico, effetto Compton, creazione di coppie e+e−. Sezione d’urto e lunghezza di atte- nuazione. Cascate elettromagnetiche: modello di Rossi e sviluppo longitudinale, raggio di Moli`ere e dimensioni trasverse. Cascate adroniche.
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 e loro possibili configurazioni.
Moltiplicazione a valanga della ionizzazione. Camere a piani resistivi (RPC). Camere a fili MWPC;
camere a deriva; camere TPC e ricostruzione tridimensionale delle tracce. Rivelatori a gas a micro- pattern. Rivelatori a semiconduttore: al silicio per la rivelazione di particelle cariche, al germanio per spettrometria γ. Rivelatori a scintillazione (organici ed inorganici); il tubo fotomoltiplicatore. Rive- latori ˇCerenkov a soglia, differenziali e RICH. Spettrometri magnetici. Calorimetri elettromagnetici e calorimetri adronici. Apparati di misura per esperimenti a bersaglio fisso e per esperimenti ai collider.
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 (Van de Graaff, Cockroft-Walton). Acceleratori lineari con campi e.m. variabili, LINAC a tubi di deriva, stabilit`a di fase nei LINAC. Acceleratori circolari:
ciclotrone, betatrone, 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. Collisori fascio-fascio. Raffreddamento elettronico e raffreddamento stocastico di fasci di antiprotoni.
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. Risonanze barioniche e mesoniche.
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. Adroni leggeri: supermultipletti mesonici e barionici e loro interpretazione nel modello a quark. Ipotesi del colore. Confinamento del colore e stati adronici previsti. Teorie di gauge: QED, QCD e gluoni.
Potenziale QCD nel quarkonio. 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.
Scoperta dell’interazione debole di corrente neutra. Sezione d’urto delle interazioni neutrino-nucleone a bassa energia. Scoperta dei bosoni W±e Zoal Sp¯pS collider del CERN. Interazione debole di corrente carica: vertici W lν e W q ¯q, universalit`a leptoni-quark e mescolamento dei quark. Decadimento dei quark pesanti (s, c, b, t). Scoperta del quark t al Tevatron del Fermilab.
Interazione debole di corrente neutra: vertici Zν ¯ν, Zl−l+, Zq ¯q, assenza di correnti deboli neutre con cambiamento di sapore. Unificazione 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, CP e mesoni Ko
Violazione della parit`a e della C-parit`a nelle interazioni deboli. Decadimento del muone polarizzato, decadimento del pione carico, elicit`a del neutrino.
I mesoni Ko e ¯Ko: mescolamento, autostati di stranezza ed autostati di CP, KS e KL e loro principali decadimenti. Scoperta della violazione della simmetria CP. Violazione diretta ed indiretta di CP.
Rigenerazione dei KS; oscillazioni di stranezza.
Oscillazioni di neutrino.
Teoria delle oscillazioni di neutrino nel vuoto, probabilit`a di cambiamento di famiglia leptonica nel caso di oscillazione tra due specie di neutrino. Cenni sull’effetto della materia nel cambiamento di famiglia leptonica dei neutrini solari (effetto Mikheev-Smirnov-Wolfenstein). Evidenze sperimentali delle oscillazioni di neutrino: neutrini da sciami atmosferici, neutrini solari, neutrini da reattore e da acceleratore. Problemi aperti in fisica delle particelle elementari.
Testi consigliati:
- B.R. Martin, G. Shaw, Particle Physics (2nd edition), Wiley 1997
- A. Bizzeti, Dispensa sulle oscillazioni di neutrino, 2006 (con aggiornamento a dicembre 2007) Modena, 20/12/2007
