Course Syllabus
Obiettivi
Il corso fornisce un’introduzione moderna alla fisica nucleare e alla fisica delle particelle elementari partendo dalla relativita' ristretta e dalla meccanica quantistica non relativistica.
Contenuti sintetici
Modelli nucleari e struttura del nucleo.
Legge del decadimento radioattivo.
Tipologia di decadimenti radioattivi e radioattività ambientale.
Accenni di reazioni nucleari: reazioni di fissione e fusione.
Introduzione alla fisica sub nucleare.
Produzione di particelle elementari: nei raggi cosmici e agli acceleratori.
Interazione radiazione materia e rivelatori di particelle.
Introduzione alle particelle elementari.
Simmetrie e leggi di conservazione.
Risonanze Adroniche e modello a quarks.
Introduzione all'elettrodinamica quantistica.
Introduzione alle interazioni deboli.
Programma esteso
Modelli nucleari e struttura del nucleo.
- Esperimento di Rutherford
- Tavola dei nuclidi e modello a goccia: legge di Von Weizsäcker - Williams
- Modello a shell
Legge del decadimento radioattivo.
- Formulazione generale del decadimento radioattivo
- Definizione di attività e relative unità di misura
- Applicazione a decadimenti multipli e catene radioattive
Tipologia di decadimenti radioattivi e radioattività ambientale.
- Il decadimento alfa
- Il decadimento beta
- Il decadimento gamma
Accenni di reazioni nucleari: reazioni di fissione e fusione.
- Schematizzazione reazioni nucleari
- Processi di fissione nei nuclei
- Processi di fusione tra nuclei
Introduzione alla fisica sub nucleare.
- Concetto di particella elementare
- Classificazione delle particelle elementari: adroni, barioni, mesoni, leptoni.
- Descrizione dei possibili meccanismi di interazione
Produzione di particelle elementari: nei raggi cosmici e agli acceleratori.
- Raggi cosmici primari e secondari
- Interazioni adroniche e produzione di sciami
- Tecniche per l'accelerazione di particelle
Interazione radiazione materia e rivelatori di particelle.
- Interazione di particelle cariche: legge di Bethe Block
- Interazione di fotorni: effetto fotoelettrico, effetto Compton, produzione di coppie
- Caratteristiche dei rivelatori di particelle
Introduzione alle particelle elementari.
- Pioni, kaoni e particelle strane: classi di particelle
- I sapori leptonici: elettronico, muonico e tauonico
- L'equazione di Dirac e le sue applicazioni
Simmetrie e leggi di conservazione.
- Leggi di simmetria e loro rottura
- Il concetto di parità e di coniugazione di carica
- Inversione temporale e conservazione di CPT
- Conservazione dei numeri quantici
Risonanze Adroniche e modello a quarks.
- Legge di Breit–Wigner
- Caratterizzazione delle risonanze adroniche.
- Introduzione al modello a quarks
- Descrizione di Barioni e Mesoni
- Numero quantico di colore
Introduzione all'elettrodinamica quantistica.
- Conservazione di carica e simmetrie di gauge
- Il Lamb shift e la misura di (g-2)
- I diagrammi di Feynman
- Introduzione alla teoria quantistica di campo
Introduzione alle interazioni deboli.
- Classificazione delle interazioni deboli
- Processi leptonici di bassa energia e costante di Fermi
- Violazione della Parità e della coniugazione di carica nelle interazioni deboli
- Elicità dei leptoni e esperimento di Goldhaber
Prerequisiti
Conoscenze di base della laurea triennale in fisica e in particolare conoscenza della meccanica quantistica non relativistica e della teoria della relativita’ ristretta.
Modalità didattica
Lezioni frontali.
Sono inoltre possibili seminari integrativi che fanno parte del programma del corso.
Nel periodo di emergenza COVID-19 le lezioni si svolgeranno da remoto asincrono.
Verranno in ogni caso organizzati incontri periodici in videoconferenza sincroni e ove possibile in presenza fisica.
I possibili seminari integrativi verranno comunque erogati in videoconferenza sincrona.
Materiale didattico
A. Bettini, Introduction to Elementary Particle Physics, Cambridge University Press, 2014 (2nd edition)
G. Krane, Introductory Nuclear Physics, Wiley, 1988 (3rd edition)
F. Terranova, A Modern Primer in Particle and Nuclear Physics, Oxford University Press, 2021
Durante il corso verranno indicati inoltri specifici riferimenti bibliografici e saranno distribuite alcune dispense.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale - Non sono previste prove in itinere
- Discussione sui vari argomenti discussi durante il corso
- Analisi di alcuni aspetti connessi con la fisica nucleare e subnucleare
- Semplici esercizi su argomenti discussi durante l'esame
Orario di ricevimento
Lunedì - Venerdì previo appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
We provide a modern introduction to nuclear and elementary particle physics based on special relativity and non relativistic quantum mechanics
Contents
Nuclear models and nuclear structure.
Radioactive decay law.
Radioactive decay types and environmental radioactivity.
Introduction of nuclear reactions: fission and fusion reactions.
Introduction to sub nuclear physics.
Elementary particles production: cosmic rays and particles accelerators.
Radiation interaction with matter and particles detectors.
Introduction to elementary particles physics.
Symmetries and conservation laws.
Hadronic resonances and quarks models.
Introduction to quantum electrodynamics.
Introduction to weak interactions.
Detailed program
Nuclear models and nuclear structure.
- Rutherford's experiment
- Nuclear data table and nuclear drop model: Von Weizsäcker - Williams law
- Nuclear shell model
Radioactive decay law.
- General definition of radioactive law.
- Definition of activity and their measurement unit.
- Application to multiple decays and radioactive chains.
Radioactive decay types and environmental radioactivity.
- Alpha decay
- Beta decay
- Gamma decay
Introduction of nuclear reactions: fission and fusion reactions.
- Nuclear reaction general scheme
- Nuclear fission processes
- Nuclear fusion processes
Introduction to sub nuclear physics.
- Elementary particles
- Classification of elememtary particles: hadrons, barions, mesons, leptons.
- Description of the interaction processes
Elementary particles production: cosmic rays and particles accelerators.
- Primary and secondary cosmic rays
- Hadronic interactions and cosmic rays shower productions
- Particles accelerator techinques
Radiation interaction with matter and particles detectors.
- Interaction of charged particles: Bethe Block law
- Photon interaction: photoelectric effect, Compton scattering, pair productions
- Characteristics of particles radiation detectors
Introduction to elementary particles physics.
- Pions, kaons and strange particles: classification of elementary particles
- Leptonic flavors: electronic, muonic and tauonic
- Dirac equation and its applications
Symmetries and conservation laws.
- Symmetry laws and symmetry breaking
- Definition of parity and charge coniugation
- Time reversal and CPT theoreme
- Conservation of quantum numbers
Hadronic resonances and quarks models.
- Breit–Wigner law
- Hadronic resonances characterization
- Introduction to the quark model
- Barions and meson descroption
- Color charge: a new quantum number
Introduction to quantum electrodynamics.
- Charge conservation and gauge symmetries
- The Lamb shift and the (g-2) determination
- The Feynman diagram
- Introduction to quantum field theory
Introduction to weak interactions.
- Classification of weak interactions
- Low energy leptonic processes and the Fermi costant
- Parity and charge coniugation violation in the weak interactions
- Helicity of leptons and the Goldhaber experiment
Prerequisites
Basic knowledge of the three-year degree in physics and in particular non relativistic quantum mechanics and special relativity
Teaching form
Lectures.
Some possible seminars on specific arguments will be organized as parts of the course program.
During the COVID-19 emergency period the course will be delivered remotely with asincronous registered lessons.
In any case, videoconference meetings will be periodically organized and, if it will be possible, some meetings in presence will be held.
Possible seminars will be organized remotely with the support of a videoconference remote connection.
Textbook and teaching resource
A. Bettini, Introduction to Elementary Particle Physics, Cambridge University Press, 2014 (2nd edition)
G. Krane, Introductory Nuclear Physics, Wiley, 1988 (3rd edition)
F. Terranova, A Modern Primer in Particle and Nuclear Physics, Oxford University Press, 2021
During the course some bibliographic references will be indicated and some lecture notes will be available
Semester
Second semester
Assessment method
Oral examination - No intermediate evaluation will be organized
- Discussion on argument presented during the course
- Analysis on some aspects concerning nuclear and subnuclear physics
- Simple exercises on arguments discussed during the examination
Office hours
Monday - Friday by appointment
