Introduzione

Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare – Prof. A. Andreazza
Introduzione
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 e-mail.
–  e-mail: [email protected]
–  tel.: +39-02-503-17375
•  Siti web:
–  didattica: http://www2.fisica.unimi.it/andreazz
–  ricerca e personale: http://www.mi.infn.it/~andreazz
•  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
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A. Andreazza - a.a. 2015/16
Programma
NUCLEI E LORO PRORIETÀ
PARTICELLE E INTERAZIONI
1. 
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.
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2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
7. 
Simmetrie (parità, coniugazione di
carica e inversione temporale) e i
principi di conservazione.
Nucleoni, barioni, mesoni e loro
composizione in quarks.
Generalità sulle famiglie di particelle –
processi di produzione e interazione.
La violazione della simmetria di CP nel
decadimento dei kaoni.
Diffusione profondamente anelastica ed
evidenza dei quarks.
Decadimenti degli adroni e vite medie.
Risonanze.
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.
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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, 1998.
•  Kenneth S. Krane
Introductory Nuclear Physics
John Wiley and Sons, 1988
•  Donald H. Perkins.
Introduction to high energy physics - 4. ed.
Cambridge University Press, 2000.
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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
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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
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Modalità d’esame
•  Esame orale
–  copre l’intero programma
–  approfondire un argomento a scelta
–  esercizi di carattere numerico da svolgersi durante l’esame
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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 1903
•  1897: Joseph John Thompson scopre l’elettrone (particella con e/m
~2000 volte maggiore degli ioni noti)
Nobel per la Fisica 1906
•  1898: 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 1911
•  1899: 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 1908
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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 (1.6×10-19 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?
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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.
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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
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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 10-10 m)
•  strutture nucleari 10-15 m
•  range interazioni deboli 10-18 m
Intensità delle interazioni
•  forti αs~1/ln(Q2/Λ2)
(O(1) per scambi di energia Q~Λ~200
MeV)
•  elettromagnetiche α=1/137
•  deboli GFQ2, GF=1.16 10-5 GeV-2
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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
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Di cosa ci occuperemo
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