LABORATORIO DI FISICA III 2

Modulo ESERCITAZIONI

Gli obiettivi specifici del presente corso di insegnamento sono i seguenti:

• Fornire le conoscenze teoriche e pratiche relative alle tecniche di laboratorio nel campo della interazione della radiazione con la materia, dei rivelatori di particelle, del trattamento dei segnali e dell’elettronica associata, nonché le metodologie statistiche e numeriche per la simulazione e l’analisi dei dati.
• Essere capaci di eseguire delle misure in laboratorio utilizzando l'opportuna strumentazione di misura.
• Acquisire le conoscenze di base relative alle tecniche e al funzionamento della strumentazione adoperata in laboratorio.
• Acquisire le conoscenze di base necessarie alla progettazione di semplici esperimenti.
• Essere in grado di effettuare calcoli numerici e grafici per l'interpretazione dei dati ottenuti dagli esperimenti.
• Apprendere i fondamenti delle tecniche di simulazione e del metodo Monte Carlo.
• Utilizzare il framework di analisi Python.
• Acquisire la capacità di descrivere per iscritto e comunicare oralmente la problematica, le metodologie utilizzate, i risultati, l'analisi e l'interpretazione relativamente agli esperimenti effettuati.

In riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

Conoscenza e capacità di comprensione:

• Capacità di ragionamento induttivo e deduttivo.
• Capacità di schematizzare un fenomeno naturale in termini di grandezze fisiche scalari e vettoriali.
• Capacità di impostare un problema utilizzando opportune relazioni fra grandezze fisiche (di tipo algebrico, integrale o differenziale) e di risolverlo con metodi analitici o numerici.
• Capacità di montare e mettere a punto semplici configurazioni sperimentali, e di utilizzare strumentazione scientifica per misure termomeccaniche ed elettromagnetiche.
• Capacità di effettuare l'analisi statistica dei dati.
• Capacità di montare e mettere a punto apparati sperimentali basati sui rivelatori di particelle, e di utilizzare strumentazione scientifica per misure di fisica moderna.
• Capacità di effettuare simulazioni numeriche.

Capacità di applicare conoscenza:

• Capacità di applicare le conoscenze acquisite per la descrizione dei fenomeni fisici utilizzando con rigore il metodo scientifico.
• Capacità di elaborare modelli teorici.
• Capacità di eseguire simulazioni numeriche.
• Capacità di progettare semplici esperimenti ed effettuare l'analisi dei dati sperimentali ottenuti nelle aree di interesse della fisica moderna, in particolare quelle relative alla fisica nucleare e più in generale alla fisica moderna.

Autonomia di giudizio:

• Capacità di ragionamento critico.
• Capacità di individuare i metodi più appropriati per analizzare criticamente, interpretare ed elaborare i dati sperimentali.
• Capacità di individuare le previsioni di una teoria o di un modello.
• Capacità di valutare l'accuratezza delle misure, la linearità delle risposte strumentali, la sensibilità e selettività delle tecniche utilizzate.
• Capacità di valutare il corretto utilizzo degli strumenti, la loro risposta, la calibrazione e gli errori di misura.

Abilità comunicative:

• Buone competenze informatiche.
• Capacità di esporre oralmente, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.
• Capacità di descrivere in forma scritta, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, con particolare riferimento agli esperimenti effettuati in laboratorio.

Capacità di apprendimento:

• Sviluppare autonomia nella progettazione e conduzione di attività sperimentali e nella stesura di una relazione scientifica.

Il corso prevede lezioni in Aula, attività pratiche in Laboratorio ed esercitazioni al PC per l’analisi e la simulazione dei dati. Più precisamente: 6 CFU (corrispondenti a 7 ore ciascuno) sono dedicati a lezioni in Aula, per un totale di 42 ore, e 3 CFU (corrispondenti a 15 ore ciascuno) sono dedicati a esercitazioni in Laboratorio ed esercitazioni pratiche, per un totale di 45 ore. Il corso, di 9 CFU, comprende quindi complessivamente 87 ore di attività didattiche.

• Le lezioni in Aula forniscono le conoscenze teoriche relative alle tecniche di laboratorio, all’interazione della radiazione con la materia, ai rivelatori, al trattamento dei segnali, all’elettronica associata e alle metodologie statistiche, numeriche e Monte Carlo. Tali conoscenze vengono successivamente applicate nelle attività pratiche, favorendo il passaggio dalla comprensione dei concetti alla loro applicazione sperimentale.
• Le attività in Laboratorio consentono agli studenti di acquisire familiarità con la strumentazione, eseguire misure, progettare semplici esperienze e valutarne criticamente le modalità di svolgimento, l’affidabilità delle misure e i risultati ottenuti. Le esercitazioni al PC sviluppano le capacità di analisi numerica e grafica dei dati, di simulazione e di utilizzo del framework Python. 
• Le attività di Laboratorio sono svolte anche in gruppo e favoriscono lo sviluppo della capacità di collaborare, discutere le scelte sperimentali, analizzare e interpretare criticamente i risultati e individuare eventuali criticità.
• Infine, la redazione di relazioni sulle esercitazioni pratiche e di una breve tesina su uno degli esperimenti svolti in laboratorio permette di sviluppare progressivamente la capacità di descrivere in modo chiaro e strutturato la problematica affrontata, le metodologie adottate, i risultati e la loro interpretazione. Tali capacità sono ulteriormente consolidate attraverso la prova orale finale.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente Syllabus.

• È indispensabile avere acquisito conoscenze di base di fisica generale, fisica moderna, di analisi matematica, di teoria degli errori e di metodi di analisi dei dati. Pertanto, secondo il regolamento didattico, sono propedeutiche all'esame le seguenti materie: Analisi Matematica I, Fisica Generale I e II, Laboratorio di Fisica I e II.
• Sono inoltre utili conoscenze di base di struttura della materia e fisica nucleare.

La frequenza alle lezione frontali è fortemente consigliata (consultare il Regolamento didattico del Corso di Studi), in quanto esse forniscono le conoscenze teoriche e metodologiche necessarie per comprendere e affrontare consapevolmente le attività sperimentali. 

La frequenza in laboratorio è invece obbligatoria (> 75%) in quanto le competenze sperimentali previste dagli obiettivi formativi del corso richiedono l’interazione diretta con la strumentazione, l’esecuzione delle misure e il confronto con le problematiche concrete che emergono durante lo svolgimento degli esperimenti.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Parte I

1. Tecniche e strumenti di laboratorio

Funzionamento e utilizzo di sensori per la misura di grandezze fisiche – Sensori analogici e digitali – Acquisizione dati da sensori - Data logger – Utilizzo di sistemi tradizionali e di microprocessori a basso costo – Il sistema Arduino e sue applicazioni - Multimetri digitali e oscilloscopi analogici e digitali – Elementi base di tecnica del vuoto – Attrezzature per la produzione del vuoto: principali tipi di pompe da vuoto – Strumenti per la misura del vuoto – Misura di radiazioni dall’infrarosso all’ultravioletto – Fibre ottiche e trasporto della luce - Spettrofotometri digitali – Proprietà e utilizzo di sorgenti radioattive alfa, beta e gamma.

2. Rivelatori di radiazione

Interazione di particelle cariche pesanti con la materia – Relazione di Bethe-Bloch – Range – Straggling – Perdita di energia di elettroni e positroni – Radiazione di frenamento - Radiazione Cherenkov - Interazione dei fotoni con la materia – Effetto fotoelettrico, effetto Compton e produzione di coppie – Sciami elettromagnetici – Sviluppo longitudinale e trasversale di uno sciame elettromagnetico – I rivelatori di particelle nella fisica moderna - Classificazione dei rivelatori di particelle – Misura dell’energia, dell’impulso, della posizione, della massa e della carica delle particelle subatomiche – Proprietà generali di un rivelatore: sensibilità, risoluzione, efficienza, tempo morto - Rivelatori a gas – Camere a ionizzazione – Contatori Geiger – Rivelatori a semiconduttore – Rivelatori a strip, a drift e a pixel di silicio – Il danneggiamento da radiazione – Rivelatori a scintillazione - Scintillatori organici e inorganici – Risposta in luce – Fotomoltiplicatori – Guide di luce e fibre WLS – Fotodiodi a valanga, silicon photomultiplier, CCD, acquisizione e riduzione di immagini fotometriche e spettroscopiche stellari.

3. Elementi di elettronica

Segnali impulsivi dai rivelatori – Segnali analogici e digitali – Standardizzazione dei segnali – Propagazione e trasporto dei segnali – Cavi coassiali e loro caratteristiche – Generatori di segnali - Alimentatori – Modulistica elettronica per la fisica nucleare – Lo standard NIM - Elementi base di elettronica lineare: preamplificatori, amplificatori, shaper – Elementi base di elettronica digitale – Combinazioni logiche di segnali: OR, AND, NOT – Convertitori analogico-digitale (ADC, QDC, TDC) – Discriminatori – Circuiti di coincidenza – Scale di conteggio - Sistemi di trigger – Cenni sui sistemi di acquisizione dati – Il software per l’acquisizione e la gestione dei dati.

4. Analisi dei dati e tecniche di simulazione

Richiami di statistica elementare - Indici per il valore centrale e indici di dispersione – Distribuzioni sperimentali – Distribuzione di Gauss – Distribuzione di Poisson – Errori sperimentali e loro trattamento - Test di significatività – Tecniche di analisi dati in fisica nucleare – Analisi di uno spettro a più componenti – Sottrazione del fondo – Fit non lineari – Uso di programmi di analisi dati multiparametrici - Simulazione di processi fisici – Tecniche Monte Carlo – Utilizzo di Python per la simulazione e per l’analisi dei dati sperimentali - Cenno sui programmi di simulazione GEANT per i rivelatori di particelle.

Parte II: Esercitazioni ed esperimenti di laboratorio

• Esercitazioni sull’utilizzo di data logger, di sensori e di Arduino
• Esercitazioni sull’utilizzo della strumentazione (multimetro, oscilloscopio, moduli elettronici,..)
• Esercitazioni al pc sull’utilizzo di Python
• Esperienze di laboratorio (in totale 11, elencate di seguito e sorteggiabili ai fini della tesina)

1. Studio dell’effetto fotoelettrico e misura della costante di Planck
2. Studio di spettri continui e a righe mediante uno spettrofotometro digitale
3. Rivelazione di elettroni mediante contatore Geiger e misura del coefficiente di assorbimento
4. Misura di spettri gamma mediante scintillatori a Ioduro di Sodio
5. Misura del coefficiente di assorbimento dei gamma nei materiali
6. Misura di spettri alfa mediante rivelatori al silicio e studio della perdita di energia
7. Misura dello spettro energetico di una sorgente beta
8. Interferometro di Michelson
9. Cubo di Leslie
10. Effetto Zeeman
11. Esperienza fotometria e spettroscopia stellare all’osservatorio di Catania

Per gli argomenti riguardanti l’interazione della radiazione con la materia, i rivelatori di particelle e i fondamenti di elettronica, uno dei testi seguenti:

1. William R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag

2. Glenn F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, John Wiley and Sons

3. Claude Leroy and Pier-Giorgio Rancoita, Principles of Radiation Interaction in Matter and Detection, World Scientific

4. C.Grupen, B.Shwartz, Particle Detectors, Cambridge

Per argomenti di statistica e analisi dei dati:

5. J.R.Taylor, Introduzione all’analisi degli errori, Zanichelli

Per Arduino:

6.  B.W. Evans, Arduino Programming Notebook, Creative Commons

Le presentazioni mostrate a lezione e altro materiale (quale manuali, pubblicazioni, codici, etc etc) verranno resi disponibili durante il corso.

Le modalità di esame richiedono:

• Frequenza minima del 75% durante i turni di laboratorio.
• Consegna di una tesina dettagliata su una delle esperienze sorteggiabili (l'elenco completo è riportato nella Sezione "Contenuti del Corso"). L'esito del sorteggio dell'esperimento su cui svolgere la tesina viene comunicato alla fine del corso. La tesina deve essere consegnata una settimana prima dell'esame orale, secondo le modalità indicate dai docenti durante le lezioni.
• Consegna di 4 brevi relazioni su alcune delle attività di esercitazione svolte durante l'anno (verifica della distribuzione di Poisson mediante contatore Geiger, utilizzo di Arduino, utilizzo di un multimetro digitale, applicazione della formula di Bethe-Bloch, stima dell'accettanza geometrica tramite simulazioni MC). Le relazioni devono essere consegnate contestualmente alla consegna della tesina sull'esperimento sorteggiato, secondo le modalità indicate dai docenti durante le lezioni.
• Esame orale che avrà come oggetto il contenuto della tesina, delle relazioni brevi, nonché gli altri argomenti del corso.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere. A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata — Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento (https://www.cinap.unict.it/content/referenti).

Per la valutazione finale si terrà conto dei seguenti aspetti:

• conoscenze e qualità dei contenuti
• chiarezza espositiva e proprietà di linguaggio
• pertinenza delle risposte rispetto alle domande formulate
• capacità di collegamento con altri temi oggetto del programma
• capacità di riportare esempi
• capacità di risolvere semplici esercizi o effettuare delle stime

Come previsto dal Regolamento Didattico, ai fini dell'esame è obbligatorio aver superato le seguenti materie: Analisi Matematica I, Fisica Generale I e II, Laboratorio di Fisica I e II.

Le domande di seguito riportate non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano solo alcuni esempi.

Interazione delle particelle cariche e perdita di energia - Processi di interazione dei gamma - Funzionamento dei rivelatori a gas - Rivelatori basti sulla scintillazione - Proprietà degli scintillatori - Risoluzione energetica di un rivelatore - Risoluzione temporale di un rivelatore - Valutazione dell'accettanza geometrica di un rivelatore - Calibrazione di un rivelatore - Convertitori analogico-digitali - Discriminatori e loro funzione - Circuiti di coincidenza e valutazione delle coincidenze spurie - Esempi di simulazione Monte Carlo.