NUCLEAR AND SUBNUCLEAR PHYSICS

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.

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.

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

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.

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. F₂^p(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: F₂^p-F₂ⁿ. Contributo dei quark al quadri-momento del nucleone. Interpretazione del rapporto F₂ⁿ/F₂^p. 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.

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.

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.

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 neìutrini

5) Oscillazioni di neutrino a corto range.

6) Violazione di parità nelle interazioni deboli.