Syllabus del corso
Obiettivi
1. Conoscenza e capacità di comprensione
Al termine del corso, lo studente avrà acquisito una solida conoscenza dei principi di funzionamento e delle caratteristiche dei principali rivelatori di particelle utilizzati in fisica nucleare e subnucleare, con particolare attenzione all'interazione radiazione-materia e alle tecniche di misura sperimentale applicate a contesti di ricerca di fisica delle particelle o radio-diagnostica.
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente sarà in grado di utilizzare strumentazione scientifica per la rivelazione di radiazione ionizzante e di applicare in modo autonomo le conoscenze acquisite alla progettazione, realizzazione e ottimizzazione di esperienze di laboratorio, inclusa l’analisi statistica dei dati sperimentali e il confronto critico con i modelli teorici.
3. Autonomia di giudizio
Il corso stimolerà lo sviluppo della capacità critica degli studenti, che saranno in grado di valutare l’affidabilità delle misure effettuate, identificare le principali fonti di incertezza sperimentale, proporre miglioramenti al setup o alla metodologia e interpretare risultati inattesi in modo costruttivo e fondato.
4. Abilità comunicative
Gli studenti acquisiranno la capacità di redigere in modo chiaro e rigoroso relazioni tecnico-scientifiche relative alle attività svolte in laboratorio, nonché di esporre e discutere oralmente i risultati ottenuti e i contenuti teorici del corso, anche in contesti di lavoro in gruppo.
5. Capacità di apprendimento
Il corso favorirà lo sviluppo di un metodo scientifico autonomo e di competenze trasversali utili all’apprendimento continuo.
Lo studente acquisirà:
- strumenti metodologici per apprendere in autonomia nuove tecniche sperimentali in fisica nucleare e subnucleare,
- capacità di documentarsi su articoli scientifici, manuali tecnici, documentazione relativa alla strumentazione e software di analisi dati,
- competenze utili per proseguire in attività di laboratorio, tesi sperimentali o corsi avanzati nel campo della fisica sperimentale delle particelle, della strumentazione per la rivelazione di radiazione e delle tecnologie associate.
Contenuti sintetici
- Introduzione ai principi base per la rivelazione di radiazione ionizzante
- Esperienze con rivelatori di radiazione alfa per misure spettroscopiche e di interazione della radiazione alfa con la materia
- Esperienze con rivelatori di radiazione gamma per misure spettroscopiche, di interazione radiazione gamma con la materia, di effetto Compton, o di apparato semplificato per la PET
- Esperienza con rivelatori organici scintillanti per la caratterizzazione e rivelazione dei raggi cosmici al suolo
- Esperienze con rivelatori inorganici scintillanti accoppiati a SiPM per la rivelazione di radiazione gamma e raggi cosmici.
Programma esteso
Introduzione alla rivelazione di particelle: sorgenti di radiazioni, dosimetria, principi base di interazione radiazione-materia, principi base di funzionamento dei rivelatori di particelle più comuni per misure di spettroscopia o di tempo di interazione, trattamento del segnale, acquisizione ed analisi dati.
Esperienza pratica su una delle 8 a disposizione in laboratorio: spettroscopia gamma, misura Effetto Compton, spettroscopia alfa, esperimento di Rutherford, esperienza con scintilatori+SiPM, esperienza simil-PET (2), misure di muoni cosmici al suolo.
In particolare le esperienze vertono sui seguenti argomenti:
- Esperienze di Spettroscopia alfa, beta e gamma: ottimizzazione, taratura e caratterizzazione di rivelatori a stato solido; misure di attività; misure di relazioni energia/percorso e di ionizzazione specifica di particelle alfa; misure di assorbimento della radiazione gamma e misure di correlazioni in energia, angolo e tempo nei decadimenti nucleari, misure di Scattering Compton, misure con apparato simil-PET.
- Caratterizzazione della radiazione cosmica al suolo usando scintillatori plastici e tecniche di coincidenza/anticoincidenza/veto.
- Misure di spettroscopia gamma e di rivelazione di raggi cosmici con cristalli scintillanti inorganici accoppiati a rivelatori SiPM: caratterizzazione e comprensione delle particolarità dei rivelatori SiPM, ottimizzazione dei parametri di acquisizione, misure di spettroscopia gamma confrontando diversi cristalli scintillanti.
Prerequisiti
- Conoscenza di base di root o Python per analisi dati
- Conoscenze di base di analisi statistica dei dati
Modalità didattica
- Didattica erogativa in presenza: lezioni frontali introduttive: lezioni di 2 ore per un totale di 12, svolte all'inizio di ciascun semestre per gli studenti che svolgeranno la parte pratica in quel semestre. Vengono trattati gli argomenti necessari per lo svolgimento e la comprensione delle esperienze del laboratorio
- Didattica interattiva in presenza: parte pratica: 84 ore svolte in incontri di 4 ore ciascuno per 2 mattine a settimana, da svolgere a scelta nel primo o secondo semestre (fino a riempimento dei posti disponibili). Nel corso delle 84 ore gruppi di 2 o 3 studenti svolgeranno una sola esperienza tra quelle disponibili per l'intero arco di durata del laboratorio. La preferenza del semestre viene espressa per mezzo di un apposito questionario che verrà pubblicato sulla pagina elearning il giorno 30 luglio con scadenza 14 settembre, dopo avviso tramite forum agli iscritti alla pagina. L'effettiva partecipazione al semestre scelto dipenderà dal raggiungimento o meno della soglia prevista. In caso di superamento del numero massimo per un semestre, qualora ci fosse ancora disponibilità per l'altro semestre, la scelta si baserà sull'ordine cronologico di risposta al questionario. Prima dell'inizio della parte pratica gli studenti saranno invitati dal docente di riferimento ad esprimere le loro preferenze circa la composizione dei gruppi e la scelta dell'esperienza. L'assegnazione finale dell'esperienza verrà fatta dal docente, che terrà conto delle preferenze espresse e delle esigenze pratiche del laboratorio.
Materiale didattico
- Dispense e registrazioni delle lezioni introduttive
- Testo di riferimento: G.F.Knoll, “Radiation Detection and Measurement”
- Guide pratiche per le esperienze
- Manuali dei vari strumenti utiizzati in laboratorio
- Tabelle relative ai decadimenti alfa/beta e gamma
- Relazioni degli anni precedenti sulle esperienze del laboratorio
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Lezioni frontali erogate all'inizio di ciascun semestre.
Parte pratica nel primo o secondo semestre a seconda del semestre assegnato (vedi modalità di assegnazione nella sezione "Modalità Didattica").
Modalità di verifica del profitto e valutazione
- Prove in itinere: non sono previste prove in itinere ma parte integrante della valutazione finale è data dall'osservazione e dall'Interazione diretta del docente con gli studenti in laboratorio. Vengono valutati: grado di impegno e coinvolgimento attivo, capacità di porsi domande atte a comprendere e approfondire ciò che si fa, attitudine ad affrontare i problemi in modo critico e costruttivo, sfruttando tutte le risorse messe a disposizione dal docente ma anche approfondendo, se necessario, in maniera autonoma.
- Prova scritta: relazione finale di gruppo relativa all'esperienza che si è svolta durante il corso di laboratorio, da consegnare una settimana lavorativa prima dell'orale. L'elaborato deve illustrare in modo sintetico ma completo e autoconsistente (è possibile includere citazioni) il problema di fisica in esame, la strumentazione a disposizione la procedura sperimentale, l'analisi critica e statistica dei dati, il confronto con le attese e la conclusione. La relazione deve esser inviata al docente almeno una settimana prima della data prevista per l'orale. Tale relazione costituisce parte integrante della valutazione finale e saranno valutati: la struttura dell'elaborato, la chiarezza, la completezza dei contenuti (senza riportare l'intera teoria, per la quale è possibile mettere citazioni, ma riportando il minimo che serve per rendere l'elaborato autoconsistente), la capacità di sintesi, la completezza dell'analisi statistica dei risultati, la capacità di analisi critica dei risultati.
- Esame orale: ciascuno studente deve affrontare anche un colloquio (anche in inglese qualora lo studente lo richiedesse), la cui data di svolgimento va concordata col docente. I colloqui possono essere svolti singolarmente o insieme dai componenti di ciascun gruppo. Il colloquio verterà sulla relazione di laboratorio portata ma anche sugli argomenti spiegati durante le lezioni introduttive. Saranno valutati: il grado di conoscenza, di comprensione ed approfondimento di tutti gli aspetti legati all'esperienza che si è svolta (tema di fisica, rivelatori utilizzati, catena elettronica di lettura del segnale e sua ottimizzazione, metodologia utilizzata per la misura, analisi dei dati e confronto con le attese), la chiarezza e completezza espositiva, lo spirito critico nell'analisi dei risultati ottenuti e l'attitudine a trovare spiegazioni qualora differiscano dalle attese.
Il voto finale sarà basato su tutti i tre elementi elencati sopra, ma senza una suddivisione netta a priori.
Orario di ricevimento
Quotidiano, previo accordo via email col docente
Sustainable Development Goals
Aims
1. Knowledge and understanding
By the end of the course, students will have acquired a solid understanding of the operating principles and main features of the most commonly used particle detectors in nuclear and subnuclear physics, with particular attention to radiation–matter interaction and experimental measurement techniques applied in particle physics research or radiodiagnostics.
2. Applying knowledge and understanding
Students will be able to use scientific instrumentation for the detection of ionizing radiation and to autonomously apply the knowledge acquired to the design, implementation, and optimization of laboratory experiments. This includes the statistical analysis of experimental data and a critical comparison with theoretical models.
3. Making judgements
The course will foster the development of critical thinking skills, enabling students to assess the reliability of measurements, identify the main sources of experimental uncertainty, suggest improvements to the setup or methodology, and interpret unexpected results in a constructive and well-reasoned manner.
4. Communication skills
Students will develop the ability to write clear and rigorous technical-scientific reports based on laboratory activities, and to present and discuss orally the obtained results and theoretical course contents, also within group work settings.
5. Learning skills
The course will promote the development of an autonomous scientific approach and transversal competencies useful for lifelong learning.
Students will acquire:
- methodological tools to independently learn new experimental techniques in nuclear and subnuclear physics,
- the ability to consult scientific literature, technical manuals, instrumentation documentation, and data analysis software,
- skills useful for continuing in laboratory activities, experimental thesis work, or advanced courses in experimental particle physics, radiation detection instrumentation, and related technologies.
Contents
- Introduction to the base principles for ionizing radiation detection
- Practical experiences with alpha radiation detectors for spectroscopic measurements and studies of alpha particle interactions with matter
- Practical experiences with gamma radiation detectors for spectroscopic or PET-like measurements, analysis of gamma particle interaction with matter or of Compton effect
- Practical experiences with organic scintillators for detection and characterization of cosmic rays
- Practical experiences with inorganic scintillators coupled to SiPM detectors for gamma radiation and cosmic rays detection
Detailed program
Introduction to particle detection: particle sources, dosimetry, particle-matter interaction base principles, base principles of more standard particle detectors for spectroscopy or interaction time measurement, signal processing, data acquisition and data analysis.
Practical experiences on one of the 7 experiences available in the laboratory: gamma spectroscopy, Compton Scattering measurement, alfa spectroscopy, Rutherford experiment, experience with scintillators+SiPM detectors, PET-like (2), Coscmic muons measurements.
In particular the experiences are focused on the following activities:
- Alpha, beta and gamma spectroscopy: optimization, calibration and characterization of solid state detectors; measurements of activities; measurements of the range-energy curve and of the specific ionization of alpha particles;
- Measurements of gamma rays absorption and released energy, angle and time correlations in nuclear decays, Compton effect, and measures with PET-like apparatus.
- Characterization of cosmic rays at ground: time of flight, speed and lifetime of muons using plastic scintillators and coincidence/anticoincidence/veto techniques.
- Gamma and cosmic rays measurement with inorganic scintillating crystals coupled do SiPM detectors: characterization and comprehension of the specific properties of SiPM detectors, optimization of working points and parameters for data acquisition, gamma spectroscopy measurements comparing the performances of scintillating crystals made of different compounds.
Prerequisites
- Base knowledge of root or Phyton programming for data analysis
- Base knowledge of statistical data analysis
Teaching form
- In-person lecture-based teaching: introductory lectures: 2-hour lectures for a total of 12 hours, held at the beginning of each semester for students who will undertake the practical part in that semester. The lectures cover the topics necessary for the performance and understanding of the laboratory experiences.
- In-person interactive teaching: practical part: 84 hours conducted in 4-hour sessions, held twice a week in the mornings. Students can choose to attend in either the first or second semester (subject to availability). During the 84 hours, groups of 2 or 3 students will complete one experience from the available options for the entire duration of the laboratory. Students can express their semester preference through a specific questionnaire that will be published on the e-learning page on July 30, with a deadline of September 14, after an announcement on the forum for those enrolled on the page. Actual participation in the chosen semester will depend on whether the minimum threshold is met. If the maximum number of participants is exceeded for one semester, and there is still availability in the other semester, selection will be based on the chronological order of responses to the questionnaire. Before the start of the practical part, students will be invited by the reference teacher to express their preferences regarding group composition and experience selection. The final assignment of experiences will be made by the teacher, who will take into account the expressed preferences and the practical needs of the laboratory.
Textbook and teaching resource
- Handouts and records of the introductory lessons
- Reference book: G.F.Knoll, “Radiation Detection and Measurement”
- Practical guides for each experience
- Manuals of the used instrumentation
- Gamma/beta and alpha radiation tables
- Reports from previous years' students about the practical experiences
Semester
Lectures provided at the beginning of each semester.
Practical part in the first or second semester depending on the assigned semester (see the "Teaching Methods" section for assignment procedures).
Assessment method
\ - In itinere tests: there are no in itinere tests but an integral part of the final evaluation is given by the observation and direct interaction of the teacher with the students in the laboratory. The following are assessed: degree of commitment and active involvement, ability to ask questions aimed at understanding and deepening what one does, aptitude to tackle problems in a critical and constructive way, exploiting all the resources made available by the teacher but also deepening, if necessary , independently.
\ - Written test: Final group report regarding the experience that took place during the laboratory course, to be submitted one business week before the oral examination. The report must briefly but completely illustrate the physics problem under consideration, the instrumentation used, the experimental procedure, the critical and statistical analysis of the data, the comparison with expectations and the conclusion. The report must be sent to the teacher at least one week before the scheduled date for the oral exam. This report is an integral part of the final evaluation. The following aspects will be assessed: the structure of the document, clarity, completeness of the content (without including the full theoretical background, which may be cited, but providing the minimum necessary to make the report self-contained), synthesis ability, completeness of the statistical analysis of the results, and the ability to critically interpret the results.
\ - Oral exam: Each student must also undergo an interview (it can also be conducted in English upon the student's request), the date of which must be agreed upon with the professor. The interviews can be conducted individually or together by the members of each group. The interview will focus on the laboratory report but also on the topics explained during the introductory lessons. The following will be assessed: the degree of knowledge, of understanding and of in-depth analysis of all aspects related to the experience carried out (subject of physics, detectors used, signal electronic reading chain and its optimization, methodology used for the measurement, data analysis and comparison with expectations), the clarity and completeness of the exposition, the critical spirit in the analysis of the results obtained and the aptitude to find explanations if they differ from expectations.
The final evaluation will take into account all three elements mentioned above, although no fixed weighting is assigned in advance.
Office hours
Everyday, after checking via email the teacher availability
Sustainable Development Goals
Staff
-
Andrea Davide Benaglia
-
Silvia Capelli
-
Massimo Carpinelli
-
Stefano Dell'Oro
-
Andrea Massironi
