Programma del Corso di Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare I
Anno Accademico 2006 - 2007
Prof. Annalisa D'Angelo
Dott.ssa Rachele Di Salvo
Primo modulo: Concetti fondamentali della fisica delle particelle
I Settimana
Lunedì 5 Marzo
1. Introduzione al corso: scopi e strumenti della fisica Nucleare e
Subnucleare. Cenni di storia della fisica subatomica. Unità di misura.
Ordini di grandezza: distanze ed energie. Costanti fondamentali.
2. Caratteristiche fondamentali delle particelle subatomiche: a) massa; b)
momento angolare e spin: classificazione in fermioni e bosoni; c) carica e
momento magnetico.
Mercoledì 7 Marzo
3. Caratteristiche fondamentali delle particelle subatomiche (continua): d)
interazioni subite: classificazione in leptoni, adroni, quark. Famiglie
leptoniche. Numeri quantici dei quark.
4. Cenni di relatività speciale: trasformazioni di Lorentz, invarianti di
Lorentz, variabili di Mandelstam, relazioni fondamentali tra massa,
impulso ed energia. Sistema di riferimento del c.m. e del laboratorio.
II Settimana
Lunedì 12 Marzo
5. Teoria del campo e.m. Formulazione covariante dell’elettromagnetismo
nel vuoto e in presenza di sorgenti.
6. Cenni di meccanica quantistica: equazione di Schrödinger, eq. di
continuità, relazione range-massa, tempi di vita media, potere risolutivo
di una particella. Acceleratori a bersaglio fisso e colliders.
Mercoledì 14 Marzo
7. Cenni di spettrometria: i filtri di energia, di impulso, di velocità, misure di
tempi di volo.
8. Un esempio di applicazione delle tecniche di spettrometria: la misura del
rapporto q/m dell’elettrone (Thomson)
III Settimana
Lunedì 19 Marzo
9. Principi di invarianza. Trasformazioni di simmetria e leggi di
conservazione. Traslazioni e rotazioni. Il momento angolare.
10. Rotazioni ed SU(2). Parità. Parità intrinseca. Il campo elettromagnetico e
le proprietà del fotone. Isospin e conservazione della carica. Stranezza.
Mercoledì 21 Marzo
11. Principio di Pauli esteso. Conservazione dell'Isospin. Multipletti di
Isospin. Coniugazione di carica. Inversione temporale. Invarianza
temporale. Dipolo elettrico del neutrone. G- Parità. Teorema CPT.
12. Cenni alle equazioni relativistiche: eq. di Klein-Gordon; eq. di Dirac: eq.
di continuità, matrici e .
IV Settimana
Mercoledì 28 Marzo
13. Eq. di Dirac (continua): formulazione covariante, matrici , soluzioni a
energia positiva e negativa, operatore di spin.
14. Eq. di Dirac (continua): elicità, interpretazione di Feynman degli stati a
energia negativa. Particelle e antiparticelle, il positrone. Equazioni di
Weyl.
V Settimana
Lunedì 2 Aprile
15.Equazione di Dirac in presenza di campi e.m. Elementi di teoria dei
campi: cenni sulla prima e seconda quantizzazione. Quantizzazione del
campo bosonico e fermionico.
16. Matrice S. Diagrammi di Feynman (cenni). Lagrangiane dei campi
principali.
Mercoledì 4 Aprile
17. Ampiezza di probabilità di una interazione di diffusione elettroneelettrone. Interazioni deboli. Decadimento beta. Esistenza del neutrino.
Neutrino e antineutrino. Bosoni mediatori. Transizioni di Fermi e di
Gamov-Teller.
18. Violazione di parità nelle interazioni deboli. L’esperimento di Wu.
Misura dell’elicità del neutrino. Violazione di parità nel decadimento del
pione. Teoria di Fermi del decadimento beta nucleare.
VI Settimana
Lunedì 16 Aprile
19. Generalizzazione della teoria di Fermi. Autostati di elicità. Ipotesi
dell’universalità: l’angolo di Cabibbo. Ingredienti del Modello Standard.
20. Test del Modello Standard.
Mercoledì 18 Aprile
21. Esercizi
22. Esercizi
VII Settimana
Lunedì 23 Aprile
23. Spettroscopia adronica: teoria della diffusione. Ampiezza in onde parziali
e sezione d'urto. Formalismo in onde parziali. Sezione d'urto totale.
24.Diffusione elastica. Risonanze. Diffusione anelastica. Formula di Breit
Wigner.Risonanze: decadimenti e vita media. Densità di probabilità di
una particella instabile.
Mercoledì 2 Maggio
25.Diagrammi di Argand e risonanze. Esempi di risonanze barioniche.
Diffusione pione-nucleone. La risonanza Delta.
26. La densità dello spazio delle fasi. Massa invariante. Dalitz plot e
formazione di risonanze
VIII Settimana
Lunedì 7 Maggio
27.Diffusione elastica di elettroni: sezioni d'urto di Rutherford e di Mott.
Diffusione elastica elettrone-muone. Fattori di forma.
28. Diffusione elastica elettrone-protone. Fattori di forma: F1 ed F2 / GE e
GM. Raggio quadratico medio del protone. Dati sperimentali della
diffusione e-p e fattore di forma dipolare.
Mercoledì 9 Maggio
29.Diffusione anelastica e profondamente anelastica di elettroni su nucleoni.
Lo "scaling" di Bjorken ed il modello a partoni.
30.La struttura a quark del nucleone. Fattori di forma e funzioni di struttura.
Partoni come fermioni. Evidenze sperimentali della presenza di quark nei
nucleoni. La relazione di Callan-Gross.
IX Settimana
Lunedì 14 Maggio
31.Le funzioni di distribuzione dei quark nel modello a partoni e la necessità
di introdurre i gluoni. Simmetria SU(3): i generatori del gruppo.
32. Rappresentazioni irriducibili. Il modello a quark. SU(3) ed i multipletti
adronici. Prodotto di rappresentazioni di SU(3).
Mercoledì 16 Maggio
33.Numeri quantici di quark ed antiquark leggeri. Mesoni nel modello a
quark. Barioni nel modello a quark.
34. Numeri quantici, funzioni d'onda e simmetrie. Il colore ed il sapore nel
modello a quark. Masse dei barioni. La regola di Gell-Mann e Okubo. Uspin.
X Settimana
Lunedì 21 Maggio
35.Masse dei mesoni nel modello a quark. Mixing dei singoletti di isospin
delle rappresentazioni di singoletto ed ottetto di sapore. Angolo di mixing
e conseguenze per rapporti di diramazione dei canali di decadimento.
36.Cenni al modello a quark costituenti per le proprietà delle risonanze
barioniche. La separazione iperfine dello spettro barionico.
Mercoledì 23 Maggio
37.I momenti magnetici dei barioni. La produzione di J/ il quark c e la
necessità di introdurre la terza generazione di quark. Charmonio e
Bottonio.
38. Il mesone k neutro ed i suoi decadimenti. Oscillazione di stranezza.
Rigenerazione del sistema K0L-K0S. Violazione di CP nel decadimento dei
mesoni K neutri.
Secondo modulo: Fisica del nucleo
39. Modelli nucleari. Modelli ad interazione forte. Modelli a particelle
indipendenti. Il modello a Shell.
40. Il modello a shell e le interazioni residue. Evidenze sperimentali delle
interazioni residue. Il modello unificato. Nuclei con A dispari e nuclei con
due o piu’ nucleoni nella shell piu’ esterna.
41. Le forze di pairing. Forze a lungo raggio di azione. Forze di interazione
residua di quadrupolo. Modello vibrazionale classico e quantistico. Spettri
vibrazionali sperimentali.
42. Reazioni nucleari: formalismo, energia di soglia. Reazioni di fissione
indotta: assorbimento risonante, termalizzazione, energia di attivazione.
43. La reazione a catena. Massa critica. Processi di fusione nucleare. Cenni a
reattori termonucleari.
44. Richiami all’interazione nucleone-nucleone. Forze nucleari non centrali.
Il deutone.
45. Il deutone: stato fondamentale, funzione d’onda ed energia di legame.
Raggio nucleare e momento magnetico del deutone.
46. Diffusione nucleone-nucleone: sfasamenti, lunghezza ed ampiezza di
diffusione, teorema ottico. Interazione di tripletto e di singoletto.
Testi:
-W.E. Burcham & M. Jobes: Nuclear and particle physics. Longman
Scientific & Technical ( disponibile in biboteca)
-Hans Fraunfelder & Ernest M. Henley: Subatomic Physics. Prentice Hall
-P. Povh K. Rith C. Scholz F. Zetsche: Particelle e nuclei. Bollati Boringhieri.
-D. Prosperi, M. De Sanctis M.A. Incicchitti. Dispense : Istituzioni di Fisica
Nucleare e Subnucleare.
-W. S. C. Williams: Nuclear and Particle Physics
- A. Das e T. Ferbel:Introduction to nuclear and particle physics
