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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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.
3
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.
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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
•  Lezioni:
–  lunedì, martedì, mercoledì, 8:30-10:30, Aula E
–  dal 3 ottobre 2016 al 18 gennaio 2017
•  Vacanze, sospensioni e festività:
– 
– 
– 
– 
lunedì 31/10
martedì 01/11
mercoledì 07/12
Vacanze di Natale: dal 23 dicembre all’8 gennaio
•  L’orario ufficiale permette solo di svolgere 78 delle 80 ore del corso:
–  stiamo cercando una soluzione con il presidente del Collegio Didattico
–  Organizzeremo le lezioni in modo da avere a gennaio una frazione
maggiore di esercitazioni e argomenti “avanzati”
•  stessa considerazione per il 21 novembre
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Modalità d’esame
•  Esame orale
–  copre l’intero programma
–  approfondire un argomento a scelta
–  esercizi/domande di carattere numerico da svolgersi durante
l’esame
•  5 crediti di lezioni (40 ore) – 4 crediti di esercitazioni (40 ore)
con la collaborazione del dott. Ruggero Turra
•  la parte quantitativa è una componente fondamentale del corso
•  Appelli
–  appelli come da calendario nelle sessioni di esami
–  ~1 appello al mese ottobre-dicembre + marzo-maggio
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Gita al CERN
•  Si sta cercando di organizzare
una visita del CERN
nel weekend 17-18 dicembre
–  partenza sabato mattina, rientro domenica sera
–  trasporto a carico di Dipartimento/INFN
–  pernottamento nel foyer del CERN (15-40 € a seconda del tipo di stanza)
ed altre spese a carico dei partecipanti
–  approssimativamente 50 posti
Più informazioni nelle prossime settimane
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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
Spettroscopia
•  (fisica atomica 1 eV)
•  processi nucleari 1-10 MeV
•  interazioni ad alta energia
fino a 1 TeV
Metodologie
•  classificazione degli stati e livelli
energetici
•  interazioni e simmetrie
•  larghezze di decadimento
Scale di lunghezza
Scattering
Fenomeni
•  (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=e2/4πħc=1/137
•  deboli GFQ2, GF=1.16 10-5 GeV-2
O(10-11) per scambi di energia Q~1 MeV
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•  fasci di momento p permettono
di risolvere strutture di
dimensione della lunghezza
d’onda di De Broglie λ~ħ/p
•  sezioni d’urto
Tecniche sperimentali (cenni)
•  interazione radiazione con la
materia, rivelatori
•  acceleratori
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Di cosa ci occuperemo
Equilibrio quark,
leptoni, W/Z:
t = 10-34 s, T= 1027 K
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Nucleosintesi primordiale:
t = 3 min, T= 109 K
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L’Album dei Nobel
http://www2.fisica.unimi.it/andreazz/NobelAlbum.pdf
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Materiale ausiliario
•  Per lo svolgimento degli esercizi e dei calcoli numerici:
–  costanti fondamentali e proprietà delle particelle elementari:
compilazione del Particle Data Group: http://pdg.lbl.gov
•  Proprietà dei nuclei:
–  carta dei nuclidi: http://www.nndc.bnl.gov/chart/
(dal Brookhaven National Laboratory)
–  compilazione di masse atomiche ed energie di legame:
http://amdc.impcas.ac.cn/evaluation/data2012/paper/
AME2012-2.pdf
–  spin e momenti magnetici dei nuclei (compilazione IAEA):
https://www-nds.iaea.org/nuclearmoments/
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