Programma del Corso di Particelle Elementari C.d.L.M. in Fisica - Anno Accademico 2009/10
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 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, 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 i 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.
Interazione forte a corto range adrone-nucleo, lunghezza di collisione e lunghezza di assorbimento.
Interazione debole a corto range dei neutrini.
Interazione elettromagnetica delle particelle cariche. Perdita di energia per ionizzazione, formula di Bethe-Bloch. Range e sue fluttuazioni. Radiazione di frenamento, lunghezza di radiazione, energia critica. Diffusione coulombiana multipla.
Interazione γ-materia: effetto fotoelettrico, effetto Compton, creazione di coppie e+e−; sezione d’urto e lunghezza di attenuazione. Cascate elettromagnetiche: modello di Rossi e sviluppo longitudinale, raggio di Moli`ere e dimensioni trasverse. Cascate adroniche.
Rivelatori di particelle.
Caratteristiche dei rivelatori. Rivelatori di ionizzazione a gas. Camere a ionizzazione. Camere a fili:
moltiplicazione a valanga della ionizzazione; camere multi-wire; camere a deriva; camere a proiezio- ne temporale (TPC) e ricostruzione tridimensionale delle tracce. Rivelatori a gas a micro-pattern.
Rivelatori a semiconduttore: al silicio per la rivelazione di particelle cariche. Spettrometri magnetici.
Rivelatori a scintillazione (organici ed inorganici); il tubo fotomoltiplicatore. Rivelatori ˇCerenkov a soglia, differenziali e RICH. Calorimetri elettromagnetici e calorimetri adronici.
Apparati di rivelatori per esperimenti a bersaglio fisso e per esperimenti ai collider. Esperimento UA1 al collisore Sp¯pS del CERN e scoperta dei bosoni W± e Z0.
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 rifles- sione 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 fotone, del para-positronio. Coniugazione di carica e C-parit`a. C-parit`a di coppie di pioni, di coppie fermione- antifermione, del fotone e dei mesoni π0ed 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; momenti magnetici dei barioni; masse dei quark u, d, s. Ipotesi del colore. Confinamento del colore e stati adronici previsti. Stati legati di quark ed antiquark pesanti: scoperta e principali propriet`a; spettroscopia di charmonio e bottomio e 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.
Scoperta dell’interazione debole di corrente neutra. Sezione d’urto delle interazioni neutrino-nucleone a bassa energia.
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.
Interazione debole di corrente neutra: vertici Zν ¯ν, Zl−l+, Zq ¯q, assenza di correnti deboli neutre con cambiamento di sapore (FCNC) al primo ordine.
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− e verifiche della teoria elettrodebole.
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. Chiralit`a ed elicit`a dei fermioni. Dipendenza dallo spin dell’interazione debole.
I mesoni Koe ¯Ko: mescolamento, autostati di stranezza ed autostati di CP; KS e KLe loro principali decadimenti. Scoperta della violazione della simmetria CP. Violazione diretta ed indiretta di CP.
Violazione di CP nei mesoni B. Oscillazioni di sapore; rigenerazione dei mesoni KS. Problemi aperti in fisica delle particelle elementari.
Successi e limiti del Modello Standard. Teorie di grande unificazione e teorie supersimmetriche.
Cosmologia, materia oscura, asimmetria materia-antimateria.
Natura dei neutrini, massa di Dirac e massa di Majorana, meccanismo see-saw.
Testi consigliati:
- B.R. Martin, G. Shaw, Particle Physics (3rd edition), Wiley 2008 Modena, 29/01/2010
