NUCLEAR AND SUBNUCLEAR PHYSICS

Anno accademico 2019/2020 - 2° anno - Curriculum THEORETICAL PHYSICS
Docente: Vincenzo BELLINI
Crediti: 6
SSD: FIS/04 - FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE
Organizzazione didattica: 150 ore d'impegno totale, 108 di studio individuale, 42 di lezione frontale
Semestre:

Obiettivi formativi

Fornire agli studenti, a prescindere dal curriculum di studi che essi hanno scelto, formazione di base su fisica nucleare e subnucleare, con particolare riferimento alla struttura della materia adronica, alla forza di interazione elettrodebole ed alla fisica dei neutrini.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Comprensione critica della conoscenza attuale in Fisica Nucleare e Subnucleare sia negli aspetti teorici che fenomenologici e delle loro interconnessioni. Notevole padronanza del metodo scientifico e comprensione della natura e del procedimento della ricerca in Fisica. Durante il corso lo studente acquisirà i principali concetti alla base della interazioni fondamentali tra i costituenti dei sistemi nucleari e subnucleari.


Prerequisiti richiesti

Conoscenza di : 1) Meccanica quantistica di base. 2) Metodi matematici della Fisica. 3) Fisica nucleare di base.


Frequenza lezioni

La frequenza alle lezioni in Aula è obbligatoria.
Durante le lezioni sono raccolte firme di presenza.
Le lezioni in Aula si tengono di norma 2 volte a settimana, 2 ore ciascuna lezione.


Contenuti del corso

Cenni storici ed introduzione

1) Il concetto di sezione d’urto nei processi atomici e nucleari. L’esperienza di Rutherford e la nascita del concetto di nucleo atomico. Interazione coulombiana e relativa sezione d’urto. La scoperta del protone e del neutrone. La scoperta del positrone e del muone.

Diffusione di elettroni su nuclei e nucleoni

2) Generalità su interazione di particelle cariche con la materia. Seconda regola d’oro di Fermi. Diagrammi di Feynman.

3) Cinematica della diffusione di elettroni su nuclei e nucleoni. Formule di Mott e Rutherford. Proprietà elettromagnetiche dei nuclei. Scattering di elettroni su nuclei e misura del loro raggio di carica elettrica. Spin e momenti magnetici.

4) Elicità e sua conservazione. Fattori di forma dei nucleoni. Formula di Rosenbluth. Minimi di diffrazione nelle sezioni d’urto e nei fattori di forma. Raggi dei nucleoni. Separazione dei fattori di forma elettrico e magnetico. Fattore di forma dipolare. Fattore di forma elettrico del neutrone. Fattori di forma asintotici. Fattori di forma di pioni e kaoni.

Modello a partoni del nucleone

5) Diffusione inelastica di elettroni su nuclei. Picco quasi-elastico. Diffusione inelastica su nucleoni. Stati eccitati dei nucleoni. Diffusione inelastica profonda. La variabile di scala x di Bjorken e le funzioni di struttura. Deflessione elettrone-quark. F(x) per un quark nel nucleone. Funzioni di struttura per nucleoni composti di tre quark. Relazione di Callan-Gross. Le funzioni di struttura non dipendono da Q2. Interpretazione della variabile x. F2p(x,Q2): quark di valenza più il mare di quark-antiquark. Contributo dei quark di valenza e dei quark del mare alle funzioni di struttura dei nucleoni. Quark accoppiati e quark isolati nei nucleoni. Separazione del mare: F2p-F2n. Contributo dei quark al quadri-momento del nucleone. Interpretazione del rapporto F2n/F2p. Funzioni di distribuzione dei quark nei nucleoni.

Decadimento beta – Fisica dei neutrini

6) Fenomenologia del decadimento beta. Leptoni e neutrini. Invarianze e simmetrie. Non conservazione della parità nel decadimento beta. Esperimento di Wu e collaboratori. Esperimento di Cowan-Reines. Neutrini ed antineutrini. Massa del neutrino. Neutrino come particella di Dirac o di Majorana?

7) Le famiglie di leptoni. I bosoni W e Z. Scattering di neutrini. Scattering inelastico profondo di neutrini. Matrice PMNS e mescolamento dei sapori leptonici.

8) Bosoni Z e W reali. Unificazione elettrodebole. Isospin debole. Angolo di Weinberg.

9) Problemi di attualità: a) oscillazioni di neutrino; b) doppio decadimento beta.

Temi di Fisica Adronica

10) Le famiglie dei quark. Interazione di colore. Mescolamento di sapore dei quark ed angolo di Cabibbo.


Testi di riferimento

  1. B.Pohv et al: Particelle e Nuclei; Bollati Boringhieri, Torino.
  2. C. Giunti e C.W. Kim: Fundamentals of Neutrino Physics and Astrophysics Oxford University Press.
  3. Appunti del corso.


Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Historical notes and introductionTesto di riferimento n.1 
2The structure of the hadrons: the scattering of electrons on nuclei and nucleonsTesto di riferimento n. 1 + Appunti del corso. 
3Beta decay - Neutrino PhysicsTesti di riferimento n.1 e n. 2. 
4Other Nuclear and Subnuclear Physics topicsAppunti del corso 

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento è affidata ad un esame finale orale. Attraverso domande relative a punti qualificanti delle varie parti del programma si tende ad accertare il livello di conoscenza complessiva acquisita dal candidato, la sua capacità di affrontare criticamente gli argomenti studiati e di mettere in correlazione le varie parti del programma.

Gli studenti potranno iniziare l’esame con l’esposizione di un argomento a loro scelta, basandosi sui testi consigliati e su eventuali articoli di rassegna consigliati dal docente.

 

Criteri per l’attribuzione del voto finale:

 

Alla formulazione del voto finale concorreranno in egual misura l'originalità nella trattazione dell'argomento a scelta, la padronanza mostrata nelle considerazioni qualitative e quantitative, la visione critica degli argomenti affrontati durante il corso e la capacità di mettere in correlazione le varie parti del programma.

 

DATE D'ESAME

Consultare il Calendario di Esami del Corso di Laurea Magistrale in Fisica: http://www.dfa.unict.it/corsi/LM-17/esami

PROVE IN ITINERE

Non previste.


Esempi di domande e/o esercizi frequenti

1) Quark di valenza e quark del mare.

2) Sistematica dei raggi nucleari.

3) Funzioni di struttura del nucleone.

4) Elementi della matrice PMNS per i neutrini

5) Oscillazioni di neutrino a corto range.

6) Violazione di parità nelle interazioni deboli.