- Oggetto:
- Oggetto:
Introduzione alla fisica nucleare e subnucleare con laboratorio (corso B)
- Oggetto:
Introduction to nuclear and subnuclear physics with Laboratory
- Oggetto:
Anno accademico 2023/2024
- Codice attività didattica
- MFN1316
- Docenti
- Riccardo Bellan (Titolare del corso)
Nicola Carlo Amapane (Titolare del corso)
Roberto Covarelli (Titolare del corso)
Valentina Sola (Titolare del corso) - Corso di studio
- 008703 Laurea in Fisica
- Anno
- 3° anno
- Periodo
- Secondo semestre
- Tipologia
- B=Caratterizzante
- Crediti/Valenza
- 9
- SSD attività didattica
- FIS/04 - fisica nucleare e subnucleare
- Erogazione
- Tradizionale
- Lingua
- Italiano
- Frequenza
- Obbligatoria
- Tipologia esame
- Orale
- Prerequisiti
- Meccanica quantistica I (MFN0557) - teoria e laboratorio
Esperimentazioni II (MFN0550 o FIS0112) - laboratorio
Introduzione alla programmazione (MFN1317) - laboratorio - Propedeutico a
- Tesi/stage triennali in ambito fisica delle particelle.
- Oggetto:
Sommario insegnamento
- Oggetto:
Obiettivi formativi
PARTE TEORICA
L'obiettivo dell'insegnamento è quello di presentare le metodologie principali utilizzate per lo studio della struttura dei nuclei e delle particelle, illustrando sia i modelli teorici sia le tecniche sperimentali impiegate. Descrivere le principali conoscenze acquisite in fisica nucleare e subnucleare, dall'esperienza di Rutherford alla formulazione del modello a quark statico. Illustrare alcune delle principali applicazioni della fisica nucleare e subnucleare.PARTE PRATICA DI LABORATORIO
Lo scopo principale del laboratorio è mettere le studentesse e gli studenti in grado di padroneggiare la metodologia di base e le tecniche sperimentali necessarie per condurre un esperimento su tematiche di fisica nucleare e acquisire un atteggiamento critico nell'analisi dei dati.THEORETICAL PART
The main target of the course is to explain the main methodologies used for the study of the structure of nuclei and particles, describing both the theoretical models and the experimental techniques, to detail the main knowledge achieved in nuclear and subnuclear physics from Rutherford experiment to the formulation of the Static Quark Model, and to illustrate some of the many applications of nuclear and subnuclear physics.PRACTICAL PART IN THE LAB
The main purpose of the course is to enable students to master the basic methodology and the experimental techniques necessary to carry out an experiment on topics related to Nuclear Physics, and to acquire a critical attitude towards data analysis.- Oggetto:
Risultati dell'apprendimento attesi
PARTE TEORICA
Conoscenza e capacità di comprensione
Conoscenza delle principali proprietà fisiche dei nuclei e delle particelle. Conoscenza delle tecniche sperimentali utilizzate negli esperimenti di fisica nucleare e particellare.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Capacità di effettuare un calcolo completo di sezione d'urto o di tasso di reazione per alcuni processi notevoli e di procedere ad un confronto quantitativo fra teoria e esperimento.
PARTE PRATICA DI LABORATORIO
Apprendere l'uso di strumentazione ad avanzata tecnologia; essere in grado di eseguire le tarature e la messa a punto necessarie a svolgere misure complesse che richiedono un'elaborazione e un'analisi statistica dei dati raccolti.
THEORETICAL PART
knowledge of the main physical properties of particles and nuclei. Competence in performing a complete calculation of cross section, and reaction rate, of some remarkable processes, and in carrying on a quantitative comparison between theory and experiment. Knowledge of the experimental techniques used in nuclear and particles physics experiments.PRACTICAL PART IN THE LAB
Students learn how to set up and use high-technology instrumentation, to perform the necessary calibrations, and to perform complex measurements which require processing and statistical analysis of the collected data.- Oggetto:
Programma
PARTE TEORICA
- Prospettiva storica
- lessico, grandezze e unità di misura
- I costituenti della materia e loro interazioni
- Sezione d'urto per diffusione Coulombiana
- Simmetrie, continue e discrete e leggi di conservazione
- Principali classi di esperimenti e degli strumenti utilizzati
- Fenomeni fisici sfruttati per la rivelazione delle particelle
- Probabilità di transizione nell'unità di tempo
- Proprietà generali dei nuclei
- costituenti "classici" dei nuclei e loro scoperta, masse nucleari ed energia di legame
- Parametrizzazione dell'energia di legame
- Dimensioni e geometria dei nuclei
- diffuzione elastica elettrone-nucleo
- Distribuzione di carica e materia nei nuclei
- Fattore di forma in appros. di Born
- Diffusione inelastica e-nucleo
- Ddiffusione quasi-elastica e-nucleo
- Momento di Fermi
- Stabilità e instabilità dei nuclei
- Proprietà generali della forza nucleare
- Modelli di potenziale fenomenologici
- Forze di scambio, evidenza sperimentale
- L'ipotesi di Yukawa e cenni sulla teoria mesonica delle forze nucleari
- decadimento nucleare e sue leggi
- decadimento beta, fenomenologia e sintesi della teoria di Fermi
- decadimenti alfa ed elettromagnetici
- fissione nucleare
- Struttura dei nucleoni
- Diffusione elastica e-N
- fattori di forma elettrici e magnetici
- stati eccitati dei nucleoni
- esperimenti di diffusione profondamente anelastica elettrone-protone
- funzioni di struttura e cenni al modello a partoni
- struttura a quark dei nucleoni
- quark di valenza e del "mare"
- Carica, spin e distribuzioni di momento
- Quark costituenti
- Gluoni
- Produzione di particelle in collisioni e+/e-
- Fasci di particelle in collisione
- annichilazione in coppie di leptoni o quark
- adronizzazione
- Numero quantico di "colore"
- produzione di risonanze in annichilazione e+/e-
- evidenza sperimentale sull'emissione di gluoni.
- Sistemi composti di quark: gli adroni
- Combinazioni quark-antiquark
- mesoni con quark leggeri
- multipletti mesonici
- numeri quantici, isospin, stranezza
- mesoni pseudoscalari e vettori
- barioni composti da quark u,d,s.
- esperimenti di formazione e di produzione
PARTE PRATICA DI LABORATORIO
- Richiami su Interazione radiazione-materia
- Interazione particelle cariche-materia
- Richiami di analisi dati
- Esperienze di laboratorio su:
- Spettroscopia gamma
- studio delle caratteristiche del decadimento gamma di alcuni isotopi radioattivi con rivelatore a NaI(Tl)
- Calibrazione dell'Analizzatore multicanale
- Studio delle caratteristiche degli spettri di energia di diverse sorgenti gamma
- Osservazione dell'effetto Compton
- Identificazione di elementi radioattivi nel fondo ambientale ed in campioni di rocce
- Misura del coefficiente di assorbimento di massa nel Pb
- Misura dell'attività di una sorgente
- Osservazione del picco somma in una sorgente di 60Co
- Spettroscopia Alfa
- misura dell'energia di particelle alfa utilizzando un rivelatore al Si
- Studio della perdita di energia delle particelle alfa nell'attraversamento di spessori sottili di materiale
- Misura del range in aria delle particelle alfa
- Osservazione dei picchi secondari di 241Am e stima delle frazioni di decadimento
- Studio della catena di decadimento del 232Th
- Raggi Cosmici
- Rivelazione di raggi cosmici tramite rivelatori a scintillazione
- Accoppiamento a tubi fotomoltiplicatori e SiPM
- Misura di efficienza di un rivelatore a scintillazione
- Curva di coincidenza
- Stima del flusso di raggi cosmici e della loro distribuzione angolare
- Misura dei tempi di volo e stima della velocità dei raggi cosmici
- Rivelazione di radiazione beta con SiPM
- Rivelazione di elettroni tramite rivelatori a scintillazione
- Accoppiamento a SiPM
- Studio del guadagno del SiPM in funzione dei parametri di funzionamento
- Spettro dei fotoelettroni
- Spettri del 137Cs e del 90Sr
- Plot di Kurie e calibrazione
- Misure di assorbimento in materiali comuni (carta, alluminio)
- Misure di perdita di energia dei raggi cosmici
- Spettroscopia gamma
THEORY PART
- Historical perspective
- terminology, physical quantities and units
- the constituents of matter and their interactions
- cross sections for Coulomb diffusion
- continuous and discrete symmetries, conservation laws
- main classes of experiments and instrumentation used
- physical phenomena utilized for particle detection
- transition probability vs. time.
- General properties of nuclei
- "classical" constituents and their discovery, nuclear masses and bond energy
- Parameterization of binding energy
- Dimensions and geometry of nuclei
- electron-nucleus elastic diffusion
- charge and matter distribution in nuclei
- form factor, 1st Born approximation
- electron-nucleus inelastic diffusion
- quasi-elastic electron-nucleus diffusion
- Fermi momentum
- Nuclear stability and instability
- nuclear force, general properties
- phenomenological potential
- exchange forces, experimental evidence
- Yukawa hypothesis and brief outline of mesonic theory of nuclear forces
- nuclear decay and its laws
- beta decay, phenomenology and summary of Fermi theory
- alfa and electromagnetic decays
- nuclear fission
- Structure of nucleons
- e-N elastic diffusion
- electrical and magnetic form factors
- excited states of nucleons
- experiments on deeply anelastic lepton diffusion
- structure functions and brief outline of the parton model
- quark structure of nucleons
- valence and sea quarks
- charge, spin and momentum distributions
- constituents quarks
- Gluons
- Systems composed of quarks: hadrons
- quark-antiquark combinations
- mesons with light quarks
- mesonic multiplets
- quantum numbers, isospin, strangeness
- pseudoscalar and vector mesons
- barions composed of u,d, s, quarks
- Formation and production experiments
LABORATORY PART
- Review on the interaction of electromagnetic radiation and charged particles with matter
- Interaction of charged particles with matter
- Review on data analysis techniques
- Laboratory experiments on:
- Gamma spectroscopy
- study of gamma decays of radioactive isotopes by means of a NaI(Tl) detector
- Calibration of a multi-channel analyzer
- Features of the energy spectra of different gamma sources
- Observation of the Compton effect
- Identification of radioactive elements in the natural backrgound and is some rock samples
- Measurement of the absorption coefficient of Pb
- Measurement of the activity of gamma sources
- Observation of sum effects in the spectrum of 60Co
- Alpha spectroscopy
- Measurement of the energy of alpha articles by means of a silicon detector
- Energy loss of alpha particles through thin films
- Mesurement of the range of alpha particles in air
- Observation of secondary peaks in 241Am and estimate of their branching ratios
- Analysis of the decay chain of 232Th
- Cosmic rays
- Detection of cosmic rays by means of scintillation detectors
- Coupling of scintillators to photomultipliers and SiPMs
- Measurement of the efficiency of scintillation detectors
- Coincidence curve
- Estimate of the cosmic rate flux
- Time-of-flight measurements and cosmic ray speed
- Detection of beta radiation with SiPMs
- Detection of electrons by scintillation detectors
- Coupling to SiPM
- Study of the SiPM gain as a function of the operating parameters
- Spectrum of photoelectrons
- Spectra of 137Cs and 90Sr and Kurie's plot
- Absorption measurements in common materials (paper, aluminum)
- Energy loss of cosmic rays
- Gamma spectroscopy
- Prospettiva storica
- Oggetto:
Modalità di insegnamento
Le lezioni frontali (48 ore teoria + 14 ore introduzione laboratorio) saranno in presenza, salvo aggiornamenti sui provvedimenti adottati da UniTo e disponibili sul sito "Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo".
La parte di esperienze pratiche verrà svolta in laboratorio secondo le modalità indicate nella pagina del modulo di laboratorio (vedi link nella sezione "Moduli didattici").
The theory lectures (48 h theory+ 14 h introduction to the lab) will take place in the classroom.
The practical part in the lab will take place as descibed in the lab module's webpage.
- Oggetto:
Modalità di verifica dell'apprendimento
Per la parte teorica: prova orale.
Per la parte di laboratorio: presentazione di una relazione sull'esperienza svolta (una per gruppo); prova orale (eventualmente in modalità telematica). Per ulteriori informazioni sullo svolgimento delle relazioni, si veda la pagina del modulo di laboratorio (vedi link nella sezione "Moduli didattici").Le prove orali per la parte teorica e per quella di laboratorio possono essere sostenute in appelli differenti.
Superata la parte teorica o quella di laboratorio, la loro validità è permanente.
Per quanto riguarda la frequentazione dei laboratori, essa rimane valida per 2 anni, ossia per evitare di dover rifrequentare il laboratorio è necessario sostenere l'esame sulla parte di laboratorio (relazioni+orale corrispondente) entro 2 anni dallo svolgimento delle esperienze. Una volta sostenuto, ha validità permanente.
L'esame si svolgerà in presenza, salvo motivate richieste come da regole di Ateneo ("Disposizioni per chi studia e lavora in UniTo").
For the theoretical part: Oral Examination.
For the laboratory part: presentation of a written report about the experiment (one per group); Oral examination (possibly through Internet). Further information on the written report is available on the webpage of the laboratory module.The Oral Examinations for Theoretical and Laboratory parts can be attended in different examination calls.
Testi consigliati e bibliografia
- Oggetto:
- Libro
- Titolo:
- Nuclear and Particle Physics: an introduction
- Anno pubblicazione:
- 2019
- Editore:
- Wiley
- Autore:
- B.R. Martin, G. Shaw
- Obbligatorio:
- No
- Oggetto:
PARTE TEORICA
- B.R. Martin, G. Shaw, Nuclear and Particle Physics: an introduction (2019)
- B. Povh et al., Particelle e Nuclei, Bollati e Boringhieri (2000)
- Ultima versione (solo lingua inglese): B. Povh et al., Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts (2015)
- P. Giacomelli et al., Particles and Fundamental Interactions, An Introduction to Particle Physics (2012)
- K. S. Krane, Introductory Nuclear Physics (1988)
- A. Bettini, Introduction to elementary particle physics (2008)
- D. H. Perkins, Introduction to High Energy Physics, IV edizione, Cambridge University Press (2000)
Dispense a cura di M. Costa
PARTE PRATICA DI LABORATORIO
Dispense e schede dei docenti con la fisica e lo svolgimento delle esperienze, manuali della strumentazione utilizzata. Si veda la sezione "Materiale Didattico" nella pagina del modulo di laboratorio (vedi link nella sezione "Moduli didattici").THEORETICAL PART
B.R. Martin, G. Shaw, Nuclear and Particle Physics: an introduction (2019)
B. Povh et al., Particles and Nuclei an introduction to the physical concepts (2015)
D. H. Perkins, Introduction to High Energy Physics, IV edizione, Cambridge University Press (2000)Lecture notes by M. Costa (in Italian)
PRACTICAL PART IN THE LAB
Lecture notes and handouts by the professors concerning the physics and the carrying out of the experiments. See the section "Materiale Didattico" (Educational Material) in the webpage of the laboratory module.- Oggetto:
Note
IL MATERIALE DIDATTICO, I LINK ALLE VIDEOREGISTRAZIONI ED ULTERIORI INFORMAZIONI SULL'ORGANIZZAZIONE DELLA PARTE DI LABORATORIO SONO DISPONIBILI NELLA PAGINA DEL MODULO CORRISPONDENTE (vedi link nella sezione "Moduli didattici").
Nella stessa pagina sono presenti istruzioni per l'iscrizione al laboratorio, che è necessaria al fine di poter organizzare i gruppi ed i turni.
EDUCATIONAL MATERIAL, VIDEO-RECORDINGS, AND FURTHER INFORMATION ON THE ORGANIZATION OF THE LABORATORY PART IS AVAILABLE ON THE WEBPAGE OF THE LABORATORY MODULE.
A registration is required in order to attend the laboratory; please follow the instructions on that webpage.
- Oggetto:
Moduli didattici
- Registrazione
- Aperta
- Oggetto:
