La Fisica Nucleare. Mauro Taiuti

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1 La Fisica Nucleare Mauro Taiuti

2 Perchè la Fisica Nucleare? Applicazioni medicali (diagnostica e terapia) Astrofisica Cosmogenesi Beni Culturali (datazione ed analisi non distruttiva) Ecologia (Radon ambientale, ecosistemi) Geologia (datazione rocce) Produzione di Energia...

3 Un Quesito Difficile Conoscendo la potenza emessa dal Sole e la sua massa si può stimare da quanto tempo è in funzione? Si, se si conosce il meccanismo di produzione di energia! Nel 1854 H. Von Helmholtz sosteneva che il Sole convertisse energia gravitazionale in calore

4 Una Soluzione Improbabile Nel 1862 W.Thompson (Lord Kelvin) calcolò che il Sole avrebbe convertito l energia chimica in calore in 3000 anni Successivamente abbracciò l ipotesi gravitazionale ed ipotizzando la cattura di meteoriti prolungò l età del Sole a 20 milioni di anni Contemporaneamente però Darwin stimava in 300 milioni di anni il tempo necessario per la deposizione degli strati geologici!

5 Alchimia o Scienza? All epoca di Newton (forse ancora adesso) l Astrologia e l Alchimia erano considerate scienze ( ) Si ricercava la pietra filosofale che permetteva di trasformare gli elementi in oro ( ) Si calcolava l influenza degli astri sul destino degli uomini

6 La Scoperta del Nucleo Atomico Nel 1910 Rutherford scopre l esistenza del Nucleo Atomico Attività sperimentale condotta indirizzando particelle α su un bersaglio di oro

7 Il Nucleo Atomico La massa è concentrata all interno degli atomi in volumi di qualche fm 3 (1fm =10-15 m) Raggio Nucleare ~ m Raggio Atomico ~ m Il Nucleo Atomico è costituito da protoni e neutroni

8 Le Forze Nucleari I protoni hanno carica elettrica Q=+1.6x10-19 C e si respingono per la forza di Coulomb I neutroni hanno carica elettrica Q=0 e non sono soggetti alla forza di Coulomb Protoni e neutroni stanno assieme grazie alle forze nucleari (raggio di azione ~ m)

9 Nucleoni e Forze L equilibro tra le forze in gioco (primariamente nucleari ed elettromagnetiche) determinano la composizione dei nuclei Sono responsabili di tutti gli isotopi dal deuterio alla... stella a neutroni

10 La Ricerca Moderna Gli strumenti di ricerca si sono raffinati ma la logica di misura è rimasta la stessa Si produce un fascio di particelle o onde elettromagnetiche (raggi gamma) di energia determinata (definisce il potere risolutivo) Si rivelano i prodotti di reazione con strumenti ad altissima risoluzione ed efficenza

11 JEFFERSON LAB E = 6 GeV

12 CLAS Torus magnet 6 superconducting coils Large angle calorimeters Lead/scintillator, 512 PMTs Drift chambers argon/co 2 gas, 35,000 cells Gas Cherenkov counters e/p separation, 216 PMTs Electromagnetic calorimeters Lead/scintillator, 1296 PMTs Time-of-flight counters plastic scintillators, 684 PMTs

13 CERN

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15 ATHENA

16 LNGS LUNA 50kV LUNA 400kV

17 LUNA

18 MAX-Lab COSY ELSA KVI Louvain GANIL ORSAY CERN DESY GSI MAMI FRM-II LNL ESRF PSI LNGS LNF LNS

19 Aspetti del Nucleo Atomico Quanti tipi di nucleo atomico esistono attualmente o sono stati disponibili in natura? I nuovi alchimisti cercano di conglobare due nuclei pesanti per ottenerne di pesantissimi (Super- Heavy Nuclei) A volte funziona

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21 Aspetti del Nucleo Atomico Le proprietà dipendono dal numero di nucleoni costituenti Nuclei leggeri permettono di studiare le forze a due corpi ed il comportamento dei singoli nucleoni Nuclei pesanti permettono di studiare gli effetti collettivi e statistici

22 Aspetti del Nucleo Atomico Usando elettroni di alta energia è possibile studiare la dislocazione ed il movimento delle cariche elettriche (protoni, pioni,...) all interno dei nuclei Le informazioni fisiche si ottengono dai fattori di forma e dalle funzioni di struttura

23 Aspetti del Nucleo Atomico Il nucleo atomico ha proprietà elastiche Con urti nucleo-nucleo si studiano le proprietà dinamiche dei nuclei in condizioni non a riposo

24 La Termodinamica Nucleare E possibile definire una temperatura del sistema (in meccanica statistica esiste un legame tra energia cinetica media e temperatura) E T 2 E possibile disegnare un diagramma di stato

25 temperatura TEMPERATURA CRITICA??? GAS LIQUIDO COESISTENZA DELLE DUE FASI NUCLEO densità

26 temperatura GAS LIQUIDO NUCLEO densità

27 Temperatura Calore/Massa

28 C è Qualcosa Più Piccolo? Nel 1955 viene dimostrato che il protone non è puntiforme R.Hofstadter, R.W.McAllister Phys.Rev.98(1955)217 Attività sperimentale condotta indirizzando elettroni di alta energia su un bersaglio di idrogeno NOBEL

29 I Partoni Successivamente utilizzando la diffusione inelastica di elettroni di alta energia è stato possibile evidenziare che il protone si comporta come se al suo interno ci sono componenti puntiformi su cui l elettrone diffonde elasticamente J.Friedman, H.Kendall, R.Taylor NOBEL

30 La QuantoCromoDinamica Infine lo sviluppo di una nuova teoria delle interazioni nucleari ha permesso di mettere al loro posti molti tasselli della fenomenologia delle particelle elementari D.Gross, D.Politzer, F.Wilzcek Fortunatamente non tutti! NOBEL

31 Quarks e Gluoni I nuovi costituenti elementari (quarks) sono sensibili alla Forza di Colore (QCD) L intensità è tale da confinare i quark all interno (quark liberi non sono mai stati osservati) Come è possibile studiarli?

32 Un Sistema Semplice Quanti quarks ci sono in un protone? CLAS ha fornito l indicazione che a bassa energia si comportano come se ce ne fossero tre con massa M/3

33 Tomografia nucleare Un progetto ambizioso della fisica nucleare delle energie intermedie (es. al TJNAF o al GSI) è la ricostruzione 3-dimensionale del nucleone Fattori di Forma densità transversa di carica Funzioni di Struttura distribuzione longitudinale di impulso

34 Ma cosa può succedere dentro il Nucleo Atomico?

35 temperatura Quark- Gluon Plasma GAS LIQUIDO NUCLEO densità

36 Un Mondo Colorato L esperimento ALICE al CERN prevede di studiare le collisioni di nuclei Pb-Pb relativistici (un programma simile verrà portato avanti al GSI) Le energie in gioco sono tali da compenetrare i nucleoni creando uno spazio dove i quarks sono liberi di muoversi Sarà quindi possibile ricreare in laboratorio le condizioni corrispondenti ad una frazione di secondo dalla nascita del nostro Universo

37 Au+Au at 2 AGeV bersaglio proiettile 0 10 condizioni iniziali v ~ 0.95 c compressione ρ ~ ρ 0 20 produzione particelle espansione frammentazione raffreddamento 30 t (fm/c)

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40 Cosmologia ed Astrofisica Moltissimi aspetti del nostro Universo sono legati alle Forze Nucleari. Per esempio: Sintesi degli Elementi Le Stelle e la loro evoluzione

41 Big Bang temperatura SN STELLE A NEUTRONI densità

42 Risposta al Quesito Iniziale L energia prodotta dal Sole proviene dalla fusione di 4 protoni in un nucleo di elio! CNO cycle La fusione può avvenire mediante un catalizzatore (ciclo CNO) p,γ 12 C 13 N p,α β - E possibile riprodurre in laboratorio alcune condizioni dell interno del Sole (es. LUNA al Gran Sasso) 15 N 15 O β + p,γ p,γ 13 C 14 N

43 A< M < 1.4 M La stella abbandona la sequenza principale (nana bianca/bruna) M > 1.4 M La stella esplode (supernova) Combustione H He Combustione He C, O, Ne Combustione C/O Si Fe Combustione esplosiva relative abundance Atomic number

44 Esistono limiti alla ricerca in Fisica Nucleare? Il gioco della scienza è, in linea di principio, senza fine. Chi, un bel giorno, decide che le asserzioni scientifiche non hanno più bisogno di nessun controllo e si possono ritenere verificate definitivamente si ritira dal gioco K. Popper, Logica della scoperta scientifica ( 11) ATHENA al CERN è riuscito a realizzare un antiatomo di Idrogeno

45 Buon Lavoro!