Course Syllabus
Obiettivi
1. Conoscenza e capacità di comprensione
Il corso fornisce una comprensione avanzata dei concetti fondamentali della fisica delle particelle elementari e della fisica nucleare. Gli studenti apprenderanno:
- i fondamenti della cinematica relativistica e del formalismo covariante;
- le caratteristiche e classificazioni delle particelle elementari;
- le principali interazioni fondamentali: elettromagnetica (QED), forte (QCD) e debole;
- le simmetrie di gauge, discrete e continue
- Parità e C-parità
- i fenomeni di decadimento e scattering
- le proprietà generali dei nuclei, i decadimenti radioattivi e le reazioni nucleari.
2. Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Gli studenti svilupperanno la capacità di:
- applicare modelli teorici alla descrizione quantitativa di fenomeni subatomici;
- interpretare i diagrammi di Feynman;
- analizzare i fenomeni di interazione particelle-materia e comprendere il funzionamento dei rivelatori di particelle;
- descrivere processi nucleari quali i decadimenti alfa, beta e gamma
- spiegare le catene radioattive e la radioattività naturale;
- collegare teorie e modelli a risultati sperimentali, come quelli ottenuti dagli esperimenti di Wu e Goldhaber.
3. Autonomia di giudizio
Il corso favorisce l’acquisizione di strumenti critici per:
- valutare l’affidabilità e la significatività fisica di modelli teorici e dati sperimentali;
- interpretare risultati nel contesto del Modello Standard;
- riconoscere limiti e potenzialità dei diversi approcci teorici.
4. Abilità comunicative
Gli studenti saranno in grado di:
- comunicare con proprietà di linguaggio i concetti fondamentali della fisica subnucleare e nucleare;
- presentare e discutere contenuti teorici o sperimentali.
5. Capacità di apprendimento
Il corso intende sviluppare:
- la capacità di studio autonomo di testi scientifici avanzati;
- l’attitudine alla consultazione di letteratura specialistica;
- le basi metodologiche per il proseguimento degli studi in corsi avanzati o attività di ricerca nei settori della fisica teorica, sperimentale e applicata.
Contenuti sintetici
Particelle elementari e Cinematica relativistica. Tecniche di rivelazione delle particelle. Simmetrie in fisica delle particelle. Interazioni elettromagnetiche. Interazioni forti e colore. Leptoni, quark, adroni. Interazioni deboli e la scoperta dei mediatori massivi. Nuclei e loro proprietà'. Decadimenti radioattivi e modelli nucleari.
Programma esteso
Punti materiali e particelle elementari. Cinematica relativistica e formalismo covariante. Unita’ naturali. Decadimenti e scattering. Sezioni d’urto e ampiezze di decadimento. Interazioni particelle-materia. Rivelatori di particelle. Elettrodinamica classica e quantistica (QED). Simmetria di gauge, simmetrie discrete e continue della QED. Parita’ e C parita’. I diagrammi di Feynman e lo scattering in QED. Interazioni forti. Quark e carica di colore. La simmetria di gauge della QCD. Liberta’ asintotica e confinamento. La simmetria di flavor e il modello a 2 quark. Mesoni e barioni. Interazioni deboli. Elicita’ e chiralita’. Esperimenti di Wu e Goldhaber. La teoria elettrodebole . La scoperta delle correnti neutre e dei mediatori massivi.
Proprieta’ generali dei nuclei e reazioni nucleari. Decadimenti radioattivi e loro proprieta’ generali. Decadimenti in cascata e equilibrio secolare. Radioattivita’ naturale e sue applicazioni. Decadimenti alfa. Decadimenti gamma.
Prerequisiti
Conoscenza della meccanica quantistica non relativistica e della teoria della relativita’ ristretta.
Modalità didattica
Didattica erogativa. Lezione Frontale (8 CFU)
Materiale didattico
F. Terranova, A Modern Primer in Particle and Nuclear Physics, Oxford University Press, 2021. G. Krane, Introductory Nuclear Physics, Wiley, 1988 (3rd edition)
Periodo di erogazione dell'insegnamento
secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
COLLOQUIO SUGLI ARGOMENTI SVOLTI A LEZIONE
Orario di ricevimento
Appuntamento su richiesta
Sustainable Development Goals
Aims
1. Knowledge and Understanding
The course provides an advanced understanding of the fundamental concepts of elementary particle physics and nuclear physics. Students will learn:
- the foundations of relativistic kinematics and covariant formalism;
- the characteristics and classifications of elementary particles;
- the main fundamental interactions: electromagnetic (QED), strong (QCD), and weak;
- Gauge symmetry, discrete and continuous symmetries;
- Parity and C-parity;
- decay and scattering phenomena;
- general properties of nuclei, radioactive decays, and nuclear reactions.
2. Applied Knowledge and Understanding
Students will develop the ability to:
- apply theoretical models to the quantitative description of subatomic phenomena;
- interpret Feynman diagrams;
- analyze particle-matter interaction phenomena and understand how particle detectors work;
- describe nuclear processes such as alpha, beta and gamma decays;
- explain decay chains and natural radioactivity;
- link theories and models to experimental results, such as those obtained in the Wu and Goldhaber experiments.
3. Independent Judgment
The course promotes the acquisition of critical tools to:
- assess the reliability and physical significance of theoretical models and experimental data;
- interpret results in the context of the Standard Model;
- recognize the limitations and strengths of different theoretical approaches.
4. Communication Skills
Students will be able to:
- communicate the fundamental concepts of subnuclear and nuclear physics with appropriate terminology;
- present and discuss theoretical or experimental content.
5. Learning Skills
The course aims to develop:
- the ability to independently study advanced scientific texts;
- the habit of consulting specialized literature;
- the methodological foundation for continuing studies in advanced courses or research activities in theoretical, experimental, and applied physics.
Contents
Elementary particles and relativistic kinematics. Experimental techniques for particle detection. Symmetries in particle physics. Electromagnetic interactions. Strong interactions and color charges. Lepton, quarks and hadrons. Weak interactions and the discovery of massive gauge bosons. Nuclei. Radioactive decays and nuclear models.
Detailed program
Point particles and elementary particles. Relativistic kinematics and covariant formalism. Natural units. Decays and scattering. Cross section and decay amplitudes. Particle interactions with matter. Particle detectors. Classical and quantum electrodynamics (QED). Gauge symmetry, discrete and continuous symmetries in QED. Parity and C-parity. Feynman diagrams and scattering in QED. Strong interactions. Quark and color charge. The gauge symmetry of QCD. Asymptotic freedom and confinement. Flavor symmetry and the 2 quark model. Mesons and baryons. Weak interactions. Elicity and chirality. The experiments of Wu and Goldhaber. The electroweak theory. The discovery of weak neutral currents and massive bosons. General properties of the nuclei. Nuclear forces. Nuclear models and reactions. General properties of radioactive decays. Decay chains and secular equilibrium. Natural radioactivity and applications. Alpha decays. Gamma decays. Beta decays.
Prerequisites
Non relativistic quantum mechanics and special relativity
Teaching form
lectures (8 CFU)
Textbook and teaching resource
F. Terranova, A Modern Primer in Particle and Nuclear Physics, Oxford University Press, 2021 (available from 20 october 2020). G. Krane, Introductory Nuclear Physics, Wiley, 1988 (3rd edition)
Semester
second semester
Assessment method
oral exam on Particle Physics and Nuclear Physics
Office hours
on demand
