NUCLEAR AND PARTICLE PHYSICS LABORATORY

Approccio Sperimentale - Applicativo

Approfondire la conoscenza dello studente delle varie metodologie di rivelazione di particelle e di acquisizione dati tipicamente utilizzati nell’ambito della fisica nucleare e subnucleare.

Sviluppare la capacità di utilizzare in modo indipendente strumentazione caratteristica della fisica nucleare e subnucleare, avere la competenza di assemblare e mettere in opera varie esperienze di laboratorio e che fanno uso di differenti tecniche, con relativa acquisizione dei dati e successiva analisi finale dei risultati.

Acrescere le capacità critiche e di giudizio grazie alla realizzazione in modo indipendente di esperienze di laboratorio che comportano la risoluzione dinamica di vari problemi di ordine sperimentale  

Aumentare la capacità di comunicare quanto si è appreso grazie alla redazione di una relazione scritta che riassuma il lavoro fatto e presenti i risultati ottenuti, oltre alla discussione di quanto appreso durante le lezioni frontali. 

Sviluppare le capacità di proseguire in modo autonomo lo studio invitando lo studente a approfondire i vari argomenti trattati, tutti in continua evoluzione nel tempo, mediante ricerche bibliografiche e successiva partecipazione al lavoro sperimentale durante la tesi.

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 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 applicare conoscenza:
Capacità di applicare le conoscenze acquisite per la descrizione dei fenomeni fisici utilizzando con rigore ilmetodo scientifico.
Capacità di progettare semplici esperimenti ed effettuare l'analisi dei dati sperimentali ottenuti nelle aree diinteresse 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:
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.

Il corso include lezioni frontali in aula e cicli di esercitazioni pratiche in laboratorio.

Durante le lezioni frontali (3CFU - 21 ore) vengono presentati gli argomenti teorici e illustrati i prinicipi di funzionamento della strumentazione da usare in laboratorio, nonchè le modalità di realizzazione degli esperimenti in laboratorio. 

Durante le sessioni di laboratorio (3CFU - 45 ore) vengono effettuati i vari esperimenti, procedendo con crescente grado di autonomia, fino alla fase finale di presa dati.

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

Nozioni di Base di Fisica Generale (meccanica, elettromagnetismo), di Fisica Moderna, Stuttura della Materia e Fisica Nucleare

La frequenza al corso è di norma obbligatoria (consultare il Regolamento Didattico del Corso di Studi)

Le sessioni di laboratorio sono obbligatorie

Richiami alla interazione Radiazione Materia

Particelle cariche leggere e pesanti: perdita specifica d’energia, range, programmi di calcolo. Effetto Cherenkov. Radiazione di Transizione. Fotoni: effetto fotoelettrico, effetto Compton, produzione di coppie. Sciami elettromagnetici. Interazione dei neutroni. Sciami adronici. Programmi di simulazione di perdita di energia.

Richiami alle caratteristiche generali dei rivelatori

Modi operativi. Funzione di risposta e calibrazione. Risoluzione energetica. Risposta e risoluzione temporale. Tempo morto. Efficienze di rivelazione. Misure di attività di sorgenti.

Rivelatori a gas

Richiami ai principi e regimi di funzionamento. Camere a ionizzazione, contatori proporzionali, contatori Geiger. Multi Wire Proportional Chamber. Microstrip Gas Chamber. Camera a deriva. Resistive Plate Chamber. Gas Electron multiplier. Time Projection Chamber. Problematiche dei rivelatori a gas. Camere a ionizzazione con liquidi.

Rivelatori a scintillazione

Scintillatori organici ed inorganici: meccanismi e caratteristiche di emissione. Luce Cherenkov. Raccolta della luce. Fibre scintillanti. Wave Length Shifter. Fotomoltiplicatori, fotodiodi ed altri strumenti per la lettura della luce.

Rivelatori a stato solido

Proprietà dei semiconduttori, drogaggio, giunzione pn. Rivelatori al Silicio. Fotosensori. Rivelatori a deriva di litio. Rivelatori al Germanio, rivelatori segmentati. Rivelatori a deriva. Rivelatori a strip. Rivelatori a pixel. Danni da radiazioni.

Elettronica

Caratteristiche e trasporto dei segnali analogici. Modulistica per il trattamento dei segnali analogici: preamplificatori, amplificatori, discriminatori, convertitori analogico-digitali. Caratteristiche dei segnali logici e loro manipolazione. Modulistica varia per la fisica nucleare. Elettronica integrata. Digitalizzazione e campionamento dei segnali.

Acquisizione dati

Sistemi monoparametrici di acquisizione. Sistemi di Trigger. Sistemi multiparametrici di acquisizione: Camac, VME. Programmi di acquisizione e gestione dei dati on-line.

Metodologie di rivelazione ed identificazione

Rivelazione e spettrometria dei fotoni, soppressione compton, correzione doppler. Rivelazione e spettrometria di neutroni lenti e veloci. Identificazione in carica e massa mediante telescopi. Misura del tempo di volo ed identificazione in massa. Discriminazione in forma dei segnali di varie tipologie di rivelatori. Misura dell’impulso ed identificazione mediante deflessione magnetica. Principi di identificazione negli esperimenti di alta energia. Transition Radiation detector. Calorimetri. Programmi Monte Carlo di simulazione dei fenomeni di rivelazione.

Applicazione di tecniche nucleari

Metodologie di analisi con fasci (IBA) e loro caratteristiche generali. Metodologie RBS e PIXE. Esempi di applicazioni ai beni culturali.

Rivelatori di radiazioni usati in ambito medicale. Nuovi materiali scintillatori e a stato solido. Applicazioni a radiografie digitali, Tomografia Computerizzata, Tomografia a singolo e doppio fotone. 

Esperienze di laboratorio:

Rivelazione e spettroscopia gamma ad alta risoluzione con verifica emissione di gamma in coincidenza da sorgente, misura della radioattività ambientale e dell’attività di sorgente ignota.

Rivelazione di particelle alfa da sorgente mediante telescopio gas-silicio.

Misura di tempo di volo di particelle alfa con rivelatore al silicio e rivelatore a micro canali.

Rivelazione e discriminazione con analisi in forma di gamma e particelle cariche con scintillatore accoppiato ad un digitalizzatore di segnale.  

Esperienza all’acceleratore singletron con fascio di particelle alfa per applicazione di tecniche RBS e PIXE

1) G.F. KNOLL,  Radiation detection and Measurement, J.Wiley 1999

2) W.R. LEO, Techniques for nuclear and particle physics experiments, Springer-Verlag 1987-1994

3) Slides del docente

Realizzazione di varie esperienze di laboratorio e scrittura di una relazione di presentazione dei dati sperimentali su una di esse, sorteggiata a conclusione del corso.

La relazione sarà valutata in funzione della capacità descrittiva complessiva, dell'accuratezza, della pertinenza e capacità di sintesi, della correttezza dell’analisi statistica dei dati e della proprietà di linguaggio.

Esame orale con discussione della relazione di laboratorio, delle altre esperienze effettuate e di tutti gli argomenti trattati durante le lezioni frontali del corso.

Nella valutazione saranno tenute in conto la pertinenza delle risposte, il livello di approfondimento dei contenuti esposti, la capacità di riportare esempi, la proprietà di linguaggio e la chiarezza espositiva

Date disponibili sul sito del DFA e sul portale SMART-EDU

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere

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

Interazione Radiazione Materia.

Rivelatori a gas.

Rivelatori a scintillazione.

Rivelatori a stato solido

Elettronica e Acquisizione dati

Metodologie di rivelazione ed identificazione

Applicazione di tecniche nucleari