Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare Prof. A. Andreazza. Introduzione

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1 Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare Prof. A. Andreazza Introduzione

2 Presentazione Prof. Attilio Andreazza Contatti: uff.: IV piano edificio LITA: sono sempre disponibile a parlare degli argomenti del corso, ma vi invito a concordare preventivamente un orario per . attilio.andreazza@unimi.it tel.: Siti web: didattica: ricerca e personale: Attività di ricerca: Fisica delle particelle elementari nell esperimento ATLAS al Large Hadron Collider del CERN (prima in DELPHI, al Large Electron Positron collider). Rivelatori traccianti in silicio ad alta precisione. Processi che coinvolgono particelle a vita media breve (~10-12 s): quark b,c, leptoni τ 2

3 Programma NUCLEI E LORO PRORIETÀ 1. La sezione d urto. Spazio delle fasi. Regola d oro di Fermi. 2. Generalità sui nuclei. Curva di stabilità. 3. Formula semiempirica di Weizsacker. 4. Leggi del decadimento radioattivo. Decadimento alfa. 5. Decadimento beta. Cattura elettronica. 6. Emissione gamma. 7. Interazioni elettromagnetiche, i fattori di forma nucleari. 8. Il modello a gas di Fermi. 9. Il deutone e l interazione nucleonenucleone. 10. Il modello a shell. 11. Reazioni di nucleo composto e reazioni dirette. 12. La fissione nucleare. 3 PARTICELLE E INTERAZIONI 1. Simmetrie (parità, coniugazione di carica e inversione temporale) e i principi di conservazione. 2. Nucleoni, barioni, mesoni e loro composizione in quarks. 3. Generalità sulle famiglie di particelle processi di produzione e interazione. 4. La violazione della simmetria di CP nel decadimento dei kaoni. 5. Diffusione profondamente anelastica ed evidenza dei quarks. 6. Decadimenti degli adroni e vite medie. Risonanze. 7. Forza debole: i bosoni mediatori della forza e gli effetti sui quarks. CENNI DI FISICA COSMICA 1. Evoluzione dell Universo primordiale. 2. La nucleosintesi nelle stelle.

4 Libri di testo A. Das and T. Ferbel. Introduction to nuclear and particle physics - 2. ed. World Scientific, 2003 Bogdan Povh Particelle e nuclei: un'introduzione ai concetti fisici Bollati Boringhieri, Kenneth S. Krane Introductory Nuclear Physics John Wiley and Sons, 1988 Donald H. Perkins. Introduction to high energy physics - 4. ed. Cambridge University Press,

5 Calendario Mon 28/09/15 Lezione Tue 29/09/15 CSN1 Wed 30/09/15 CSN1 Mon 05/10/15 Lezione Tue 06/10/15 Lezione Wed 07/10/15 Lezione Mon 12/10/15 Lezione Tue 13/10/15 Lezione Wed 14/10/15 Lezione Mon 19/10/15 Lezione Tue 20/10/15 Lezione Wed 21/10/15 Lezione Fri 23/10/15 Recupero Mon 26/10/15 BPAC Tue 27/10/15 BPAC Wed 28/10/15 Lezione Mon 02/11/15 Lezione Tue 03/11/15 Lezione Wed 04/11/15 Lezione Mon 09/11/15 Lezione Tue 10/11/15 Lezione Wed 11/11/15 Lezione Fri 13/11/15 Recupero Mon 16/11/15 Lezione Tue 17/11/15 Lezione Wed 18/11/15 Lezione Mon 23/11/15 Lezione Tue 24/11/15 Lezione Wed 25/11/15 Lezione Mon 30/11/15 Lezione 5 Tue 01/12/15 Lezione Wed 02/12/15 Lezione Mon 07/12/15 S. Ambrogio Tue 08/12/15 Immacolata Wed 09/12/15 Lezione Mon 14/12/15 Lezione Tue 15/12/15 Lezione Wed 16/12/15 Lezione Mon 21/12/15 Lezione Tue 22/12/15 Lezione Wed 23/12/15 Vacanze Natale Mon 28/12/15 Vacanze Natale Tue 29/12/15 Vacanze Natale Wed 30/12/15 Vacanze Natale Mon 04/01/16 Vacanze Natale Tue 05/01/16 Vacanze Natale Wed 06/01/16 Vacanze Natale Mon 11/01/16 Lezione Tue 12/01/16 Lezione Wed 13/01/16 Lezione Mon 18/01/16 Lezione Tue 19/01/16 Lezione Wed 20/01/16 Lezione

6 Modalità d esame Esame orale copre l intero programma approfondire un argomento a scelta esercizi di carattere numerico da svolgersi durante l esame 6

7 L inizio della fisica sub-atomica A. Pais, Review of Modern Physics 49 (1977) 925 Alla fine del 1800 è assodata la struttura atomica della materia. Si conoscono le interazioni gravitazionali ed elettromagnetiche. 1896: Henri Bequerel scopre la radioattività (trasmutazioni atomiche) Nobel per la Fisica : Joseph John Thompson scopre l elettrone (particella con e/m ~2000 volte maggiore degli ioni noti) Nobel per la Fisica : Marie Curie dimostra che la radioattività dell uranio è una proprietà atomica, con Pierre Curie osserva la radioattività del torio, ed isola polonio e radio. Nobel per la Fisica 1903 e per la Chimica : Rutherford osserva che la radioattività ha una componente assorbita rapidamente (α, nel 1909 identificata come atomi di He doppiamente ionizzati) ed una più penetrante (β, rapidamente identificata come elettroni) Nobel per la Chimica

8 L inizio della fisica sub-atomica Si tratta di scoperte completamente inaspettate: Non è stata ancora scoperta la struttura dell atomo. Non è stata ancora formulata la meccanica quantistica. Non è stata ancora formulata la teoria della relatività. Sono fenomeni che non trovano collocazione nella fisica classica e destinati a cambiare radicalmente la visione del mondo fisico. Fenomeni atomici hanno scale di energia dell ev ( J). Nelle disintegrazoni radioattive le energie in gioco sono dell ordine del MeV Quale processo fisico fornisce questa energia? Il processo di decadimento radioattivo è puramente casuale: non si può predire quando avverrà e fino a quel momento un atomo è indistinguibile dagli altri dello stesso elemento Come si può interpretare questa osservazione? 8

9 L inizio della fisica sub-atomica Ci vogliono 10 anni per ricondurre queste osservazioni ad un nucleo atomico: 1911: Rutherford dimostra la struttura nucleare dell atomo 1914: Bohr conclude che la radiazione β è di origine nucleare Ed altri 20 anni per completare il quadro dei costituenti della materia ordinaria: 1930: Pauli ipotizza l esistenza del neutrino 1932: Chadwick osserva il neutrone e Heisemberg costruisce il modello di nucleo costituito da protoni e neutroni. 1934: Teoria di Fermi del decadimento β Alle interazioni gravitazionale ed elettromagnetica classiche si aggiungono le interazioni (nucleari) deboli e le interazioni (nucleari) forti. Descrizione puramente quantistica delle nuove interazioni. 9

10 Meccanica quantistica + Relatività Per descrivere questi fenomeni bisogna combinare sia la meccanica quantistica che la relatività generale. Esistenza dell anti-materia (Dirac) 1932: Anderson osserva il positrone...si arriva alla teoria quantistica dei campi interazioni mediate dallo scambio di particelle mediatrici 10

11 Di che cosa ci occuperemo Scale di energia (fisica atomica 1 ev) processi nucleari 1-10 MeV interazioni ad alta energia fino a 1 TeV Scale di lunghezza (fisica atomica m) strutture nucleari m range interazioni deboli m Intensità delle interazioni forti α s ~1/ln(Q 2 /Λ 2 ) (O(1) per scambi di energia Q~Λ~200 MeV) elettromagnetiche α=1/137 deboli G F Q 2, G F = GeV -2 Spettroscopia classificazione degli stati e livelli energetici interazioni e simmetrie larghezze di decadimento Scattering fasci di momento p permettono di risolvere strutture di dimensione della lunghezza d onda di De Broglie λ~ħ/p sezioni d urto 11

12 Di cosa ci occuperemo