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Oggetto:
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Introduzione alla fisica nucleare e subnucleare con laboratorio (corso B)

Oggetto:

Introduction to nuclear and subnuclear physics with Laboratory

Oggetto:

Anno accademico 2022/2023

Codice attività didattica
MFN1316
Docenti
Prof. Riccardo Bellan (Titolare del corso)
Prof. Nicola Carlo Amapane (Titolare del corso)
Prof. Roberto Covarelli (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
Tipologia unità didattica
corso
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 del corso 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 corso è mettere 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

Gli studenti apprendono l'uso di strumentazione ad avanzata tecnologia e sono in grado di fare le tarature e la messa a punto necessarie a eseguire 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; diffusione 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. Iperoni; esperimenti di formazione e di produzione).

PARTE PRATICA DI LABORATORIO
Richiami su Interazione radiazione-materia, Interazione particelle cariche-materia. Richiami di analisi dati.

Esperienze 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 Alpha: 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.

- 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. Misure di assorbimento in materiali comuni (carta, alluminio). Plot di Kurie.

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 used instrumentation; 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. 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. Review on data analysis techniques.

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. Measurement of the efficiency of scintillation detectors. Coincidence curve. Estimate of the cosmic rate flux. Study of the properties of a Silicon Multiplier.

Oggetto:

Modalità di insegnamento

Le lezioni frontali 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.

 

The theory lectures will take place in the classroom with online streaming.

Tutoring classes for small groups will be set up during the course; the partipation is not compulsory.

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.

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.

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.

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:
    Ultimo aggiornamento: 28/06/2022 14:18