20853 - FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede le conoscenze di base della Fisica Nucleare e Subnucleare. In particolare lo studente è introdotto alla fisica del nucleo atomico e ai costituenti del modello standard delle particelle elementari.

Programma/Contenuti

Modulo 1

Relatività ristretta e teoria dei gruppi

Introduzione al modello standard delle particelle elementari. Trasformazioni di Lorentz e conseguenze: somma delle velocità, contrazione delle lunghezze, dilatazione dei tempi, perdita del concetto di simultaneità assoluta. Spazio-tempo di Minkowski e struttura causale. Formalismo tensoriale, tensori e trasformazione del campo elettromagnetico. Meccanica relativistica, definizioni di energia e momento relativistici, quadrimomento. Simmetrie e leggi di conservazione. Conservazione del quadrimomento. Decadimento di particelle. Processi di scattering e variabili di Mandelstam. Equazioni d'onda relativistiche: equazione di Klein-Gordon, potenziale di Yukawa, propagatore. Teoria dei gruppi: definizioni ed esempi, gruppo delle rotazioni SO(N), gruppo unitario SU(N), gruppo U(1),  rappresentazioni. 

Modulo 2

Fisica nucleare

Le unità di misura nella fisica nucleare e subnucleare. Lo studio dei sistemi microscopici, la sezione d’urto. Le proprietà delle particelle microscopiche. La teoria della diffrazione di Kirchhoff. Il calcolo delle sezioni d’urto, sezione differenziale di diffusione, sezione d’assorbimento, teorema ottico, diffrazione di un disco circolare assorbente.

Il nucleo ed i suoi costituenti. Il raggio nucleare, sezione d’urto differenziale di neutroni su nuclei.

Energia di legame nucleare, il concetto di energia di legame, dati sperimentali. Il modello a goccia del nucleo, termini di volume, superficie, coulombiano, di asimmetria e pairing, formula di Weizsacker.

Richiami di meccanica quantistica, funzione d’onda, energia e quantità di moto, momento angolare orbitale e di spin, somma di momenti angolari. Particelle identiche, simmetria e antisimmetria della funzione d’onda, teorema spin-statistica.

Il nucleo come gas di fermioni, conteggio degli stati quantomeccanici di una particella microscopica in un volume, l'espressione della energia di legame nucleare.

Il modello a shell del nucleo, il potenziale nucleare, energie di separazione, il potenziale di Saxon-Wood, interazione spin-orbita in elettromagnetismo, interazione spin-orbita nella interazione forte tra nucleoni, confronto con i dati sperimentali.

Fisica delle particelle elementari

Uno sguardo al modello standard, il concetto di particella, particelle antiparticelle e numeri quantici di sapore, leptoni quark e adroni, le interazioni elettromagnetiche deboli e forti, i parametri del modello standard.

Stima della intensità relativa delle interazioni. Un accenno al concetto di campo quantizzato, la descrizione delle interazioni, il caso della interazione elettromagnetica, quanti reali e virtuali, i processi a due vertici della QED, processi di ordine superiore, alcune verifiche sperimentali.

La interazione forte. Cariche di colore e gluoni, struttura di sapore delle interazioni forti, isospin, libertà asintotica e confinamento. Numeri quantici di sapore. Il modello a quark degli adroni, struttura degli adroni, masse spin e cariche elettriche, mesoni, barioni e antibarioni. Il modello a quark dei mesoni, i mesoni con quark leggeri, stati mesonici eccitati, schemi di decadimento. Il modello a quark dei barioni, la carica di colore.

L’interazione debole. Il decadimento beta, il neutrino, l’analogia con l’elettrodimamica, l’antineutrino ed il campo W, processi di diffusione e cattura, universalità della interazione debole. Concetto di simmetria in fisica. La violazione della parità nelle interazioni deboli. Un accenno alla teoria elettrodebole, significato della violazione della parità, isospin e ipercarica debole, accenno al meccanismo di Higgs. Un accenno al miscelamento del sapore.

Testi/Bibliografia

Appunti forniti a lezione.

Testi suggeriti per letture supplementari:

M. Gasperini, "Manuale di Relatività Ristretta", Springer.

S. Braibant, G. Giacomelli, M. Spurio: "Particelle e Interazioni Fondamentali", Springer.

T.S. Donnelly et al.: "Foundations of Nuclear and Particle Physics", Cambridge University Press.

Metodi didattici

Lezioni alla lavagna.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Esame scritto ed orale.

L' esame scritto è diviso in due parti riguardanti i due moduli. Il voto finale sullo scritto è ottenuto mediando con peso 2/5 il voto sul modulo 1 e peso 3/5 il voto sul modulo 2. Si è ammessi all'orale con voto maggiore o uguale a 15/30.

L'esame orale è diviso in due parti, sempre riguardanti i due moduli. Il voto finale totale assegnato è ottenuto mediando con peso 2/5 il voto finale sul modulo 1 e peso 3/5 il voto finale sul modulo 2.

Link ad altre eventuali informazioni

http://www-th.bo.infn.it/people/bastianelli/fns-16.html

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Fiorenzo Bastianelli

Consulta il sito web di Nicola Semprini Cesari