100 anni dopo Rutherford Ricerche di base ed applicazioni della Fisica Nucleare. Emilio Chiavassa

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1 100 anni dopo Rutherford Ricerche di base ed applicazioni della Fisica Nucleare Emilio Chiavassa 1

2 La diffusione di part icelle come met odo d indagine dei cost it uent i la mat eria Esperimento di Geiger Marsden 1909 Scattering di α su Au Risultato: le particelle α possono essere diffuse ad angoli all indietro 2011 Interpretazione di Rutherford dei risultati Esiste un nucleo in cui e concentrata la massa dell atomo 2

3 L esperimento di Rutherford ha insegnato che si possono studiare i costituenti della materia con processi di diffusione Dimensioni spaziali esplor abili limitate dalla lunghezzad onda della sonda Microscopio Luce visibile λ 1 mm struttura cellule Raggi X nm struttura atomica La Fi s i c a Nuc l ear e ha f at t o e f a us o di ac c el er at or i Ri c or dar e l a l unghezza d onda di una par t i c el l a 2λ= 197.3/p fm con p in MeV/C Fi s i c a Nuc l ear e p MeV λ 10 3

4 Unita pratiche elettrone (energia U) Volt U= 1 ev = 1.6x10-19J (velocita all elettrodo positivo km/s) kev = MeV = GeV = TeV = 103 ev 106 ev 109 ev 1012 ev LEP = 209 GeV LHC = 14 TeV Lunghezza 1fm= 10-15m 4

5 L evoluzione dell energia prodotta dagli acceleratori 5

6 Le distribuzione dei protoni(forma e densita ) nei nuclei sono stati studiati con fasci di elettroni di energia fino a 450 MeV La distribuzione dei nucleoni nel nucleo 6

7 I nuclei sono costituiti da N neutroni e Z protoni tenuti insieme da una forza a corto raggio Pr ot one scoper t o 1919 Neut r one scoper t o 1932 Massa m c2 = 938 MeV Massa m c2 = 939 MeV La dist r ibuzione dei neut r oni nei nucleie st at a r icavat a con pr ocessi di dif f usione di neut r oni pr odot t i da acceler at or i A= Z+N Raggio R=0.25 A1/3 fermi Il nucleo piu pesante presente in natura e 239 U Z=92 7

8 I nuclei st abili sono disposti lungo la valle di stabilita di questi si conoscono bene le propriet a 8

9 Fino agli anni 60 I costituenti dei nuclei neutroni e protoni sono particelle elementari I nuclei sono studiati attraverso I decadimenti radioattivi e soprattutto attraverso reazioni indotte da nucleoni e ioni prodotti da acceleratori. Vengono formulati modelli Modello a shell I nucleoni si muovono quasi liberi in un potenziale creato dalla presenza degli altri nucleoni Numeri magici Spettroscopia Modello a goccia I nucleo si comporta come una goccia di liquido in cui sono confinati I nucleoni Energia di legame Reazione di fissione Modello collettivo Moti collettivi di vibrazione e rotazione di insiemi di nucleoni Forme dei nuclei e spettroscopia 9

10 Gli ordini di grandezza delle dimensioni da esplorare 10

11 La diffusione di elettroni su nuclei in funzione dell energia I nucleoni sono oggetti composti di quarks e gluoni Basse energie Fisica del nucleo e delle reazioni nucleari Alte energie Fisica dei Nucleoni e della Materia nucleare 11

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13 La Fisica Nucleare nel Fisica delle basse energie Il nucleo com e insiem e di nucleoni Spet t r oscopia Ast r of isic Nuclear e 2 Fisica delle alte e medie energie St r ut t ur a degli adr oni Le f asi dela m at er ia nuclear e Il deconf inam ent o dei quar ks 3 Le applicazioni Fisica m edica Pr oduzione diener gia Sicur ezza Analisi m at er iali 13

14 Fisica delle basse energie Il nucleo come un insieme di nucleoni Nuclei ed Astrofisica Nucleare Quale e la natura della forz a nucleare che tiene insieme I nucleoni? Quali sono le caratteristiche dei nuclei lontani dalla valle di stabilita? Quale e il limite di stabilita? Quale e la natura delle stelle di neutroni e della materia nucleare densa? Quale e l origine degli elementi nel cosmo? Quali sono le le reaz ioni nucleari che dominano il comportamento delle 14 stelle e delle loro esplosioni?

15 Alcuni temi della ricerca nucleare a basse energie Proprieta dei nuclei come insieme di nucleoni Passaggio da materia liquida a gassosa Densita nucleare Fenomeni collettivi nei nuclei Stati rotazionali e vibrazionali Nuclei con alone Nuclei superpesanti 15

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17 I temi di ricerca della Fisica Nucleare a basse energie Spettroscopia e misure di interesse Astrofisico 17

18 Astrofisica Nucleare Capire I processi nucleari nelle condizioni estreme di T e p delle stelle Il campo richiede grande collaborazione tra fisici nucleari ed astrofisici Teorici e sperimentali 18

19 Implicazioni in Astrofisica 10 6 sec 10 4 sec > 1012 K 1012 K 3 min 1012 K 400,000yr 400,000K 3.108yr 50-3 K yr 3K 19

20 Astrofisica in lab sotterranei Misura di reazioni nucleari alle temperature delle stelle Difficili perche estremamente improbabili causa la repulsione coulombiana. Occorre schermarsi dai raggi cosmici LUNA al Gran Sasso 20

21 H burning CNO cycle pp chain 12 p + p d + e+ + ν e 13.8 % He +3He α + 2p 3 Be+e- 7Li + γ +νe Li + p α + α Be + p 8B + γ N 13 C p,γ β % 13 β- N He +4He 7Be + γ % C p,α d + p 3He + γ 84.7 % p,γ O p,γ N B 2α + e++ νe 8 4p 4He + 2e+ + 2νe MeV 21

22 FISICA NUCLEARE DELLE ALTE ENERGIE QCD E STRUTTURA DEGLI ADRONI Quale e la struttura degli adroni? Dalla struttura degli adroni alle fasi della materia nucleare Quali sono le fasi della materia in interazione forte? Quale ruolo giocano nel cosmo? Quale e la struttura dei nucleoni? Quali regole governano la transizione da quarks e gluoni a nucleoni ed adroni? Quale e il ruolo dei quarks e dei gluoni nei 22 nuclei?

23 Un esempio: lo st udio dell origine dello SPIN dei nucleoni Occorrono acceleratori di elettroni con energia superiore al GeV 23

24 10 6 sec 10 4 sec 3 min 15 Mil Anni 24

25 LHC al CERN Fasci ruotanti in senso opposto si urtano in alcuni punti FASCI di p ad energia max di 7 Tev ciascuno FASCI di IONI Pb a energia max di 2.75 TeV per nucleone 25

26 I magneti di LHc sono superconduttori B=9 Tesla 26

27 Rivelatori di grandi dimensioni assai sofisticati con sistemi informatici di raccolta ed analisi dati innovativi Gruppi di ricerca con migliaia di ricercatori 46m Φ=25m H=4T Φ=15m L=21.6m 26m Φ=16m 21X10X13 m3 27 Attualmente TUTTI i responsabili degli esperimenti sono italiani

28 La Fisica degli ioni ad LHC Studio della transizione di fase da adroni a quarks e gluoni liberi Materia adronica Quarks u,d confinati Protone 2u1d Neutrone 1u2d 3 ε(nucleo) =0.15 GeV/fm ε(nucleone) =0.3 GeV/fm3 u m=m d 300 MeV QGP Ad altissime T o p Transizione a Stato primordiale della materia da 10-12s a 10μs ε>1-2 GeV/fm 28

29 Produzione e studio della materia deconfinata 29

30 Solenoide 0.5 T Dipolo 0.7 T Dimenasione 16X26 m Peso 10000t 30

31 Eventi in ALICE nel rivelatore centrale Circa 3000 particelle misurate ciascuna in molti punti della loro traiettoria 31

32 Prodotti e studiati eventi con 2,7 TeV/nucleone Risultati Rivelatori OK Analizzati eventi con 3000/4000 particelle 3 ε >15 GeV/fm 50 volte la densità del centro di una stella di neutroni 40 miliardi tons/cm3 12 o Temperatura > 4 10 K > volte la temperatura del centro del sole Prodotto un Plasma di quark e gluoni liberi Si comporta come un liquido quasi perfetto

33 Applicazioni Ener gia Ads Tr asmutazione Reattor i Fissione Reattor i Fusione mater iali Tr attamento Scor ie Scienza della Vita mater iali Diagnostica medica Ter apia medica Radiobiologia Tr acciator i biomedici Difesa Riconoscimento ar mi Sicur ezza Pr olifer azione Tr affico nuclear e Riconoscimento Valutazione r ischi Analisi Impiantazione ionica Str uttur a mater iali Geologia e clima Ar te ed ar cheologia Calcolo 33 Metodi di simulazione

34 Centro nazionale di adroterapia CNAO a Pavia Fasci di p fino a 250 MeV e di C fino a 450 MeV/U 34

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37 Datazione con 12 C 37

38 Conclusioni anni dopo Ruther for d la Fisica Nuclear e e ancor a ben viva 3 campi di inter esse 1 Fisica nuclear e delle basse ener gie Str uttur a dei nuclei Reazioni di inter esse astr ofisico Equazione di stato della mater ia nuclear e 2 Fisica delle ener gie inter medie ed alte Str uttur a dei nucleoni Equazione di stato della mater ia adr onica Deconfinamento Mater ia Deconfinata 3 Applicazioni 38

39 I campi di Ricerca ed Applicazioni della Fisica Nucleare 39

40 Met odi e st r um ent i della Fisica Nuclear e ( e delle par t icelle) St r et t a collabor azione t r a sper im ent ali e t eor ici 1) Acceler ator i 1) Rivelator i Pr oduzione di f asci di par t icelle e ioni con ener gia ed int ensit a cr escent i a gas,scint illat or i,st at o solido con uso di elet t r onica, m icr o elet t r onica e sist em i di r accolt a dat i sem pr e piu sof ist icat i 3 )Sistemi di calcolo Sim ulazione (Mont e Car lo) di event i Analisi di dat i Pr oduzione di 40 m odelli

41 Tor ino nella Fisica Nuclear e e delle par ticelle elementar i Str etta collabor azione Univer sita INFN Par tecipazione qualificata ad ALICE e CMS Responsabile gener ale Alice Responsabile Nazionale CMS Lunga attivita nel campo della Fisica nuclear e ad ener gie inter medie Attivita teor ica di gr ande r ilievo in Fisica dello SPIN e degli Ioni r elativistici Fisica medica e di r icostr uzionedi immagini 41

42 Grazie per l attenzione Il mio mail Chiavassa@t o.infn.it 42

43 Numeri LHC Cost i Macchina 3200 M CALCOLO ALICE 1.25 GB/ s CMS 300 MB/ s ALICE 100 M ATLAS 400 M CMS 375 M LHCB 50 M ATLAS 320 MB/ s LHCB 50 MV/ s Tot ale GB/ anno 43

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46 35 paesi 118 istituti 1300 ricercatori 46

47 L ener gia di una par ticella utile e quella disponibile nel centr o di massa delle par ticelle inter agenti Ber saglio fisso (sonda e ber saglio di massa m t ) In Lab V cm > 0 Collisionator i ( ur to fr ontale di par ticelle di ener gia E1 ed E2 In Lab V cm = 0 47

48 Nucleo f or m at o da nucleoni: pr ot oni e neut r oni Pr ot one scoper t o 1919 Massa m c2 = 938 MeV Neut r one scoper t o 1932 Massa m c2 = 939 MeV 1964 I nucleoni non sono par t icelle elem ent ar i 48

49 In costruzione sorgenti di ioni radioattivi per studiare proprietà nucleari e reazioni lontani dalla valle di stabilita processi r Laboratori sotterranei per misure di sezioni d urto molto basse 49