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Introduzione alla fisica nucleare e subnucleare con laboratorio

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Introduction to nuclear and subnuclear physics with Laboratory

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Anno accademico 2016/2017

Codice dell'attività didattica
MFN1316
Docenti
Prof. Marco Costa (Titolare del corso)
Prof. Simonetta Marcello (Titolare del corso)
Prof. Nicola Carlo Amapane (Titolare del corso)
Corso di studi
008703 Laurea in Fisica
Anno
3° anno
Periodo didattico
Secondo periodo didattico
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
9
SSD dell'attività didattica
FIS/04 - fisica nucleare e subnucleare
Modalità di erogazione
Doppia
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Obbligatoria
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Propedeutico a
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

PARTE TEORICA
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
To present the main methodologies used for the study of the structure of nuclei and particles, describing both the theoretical models and the experimental techniques employed. To describe the main knowledge achieved in Nuclear and Subnuclear Physics from Rutherford experiment to the formulation of the Static Quark Model. To present some of the many applications of Nuclear and Subnuclear Physics.

PRACTICAL PART IN THE LAB
The main purpose of the course is to enable the student to rule the basic methodology and the experimental techniques necessary to carry out an experiment on Nuclear Physics topics and to achieve a critical attitude towards data analysis.

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Risultati dell'apprendimento attesi

PARTE TEORICA
Conoscenza delle principali proprieta' fisiche dei nuclei e delle particelle. Capacita' 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. Conoscenza delle tecniche sperimentali utilizzate negli esperimenti di fisica nucleare e particellare.

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
Understanding of the main physical properties of nuclei and particles. Capability to perform a complete calculation of Cross Section or Reaction Rate concerning some remarkable processes and to carry on a quantitative comparison between theory and experiment. Knowledge about the experimental techniques used in the experiments of Nuclear and Particles Physics.

PRACTICAL PART IN THE LAB
The students learn how to use the high level technology instrumentation and they are able to perform the Calibration process and to choose the set up necessary to take complex measurements which require processing and statistical analysis  of the collected data.



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Modalità di insegnamento

Tradizionale.

Traditional

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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) valida come prova scritta; prova orale.

Le prove orali per la parte teorica e per quella di laboratorio possono essere sostenute in appelli differenti.

Ulteriori dettagli sono riportati nelle pagine relative ai due moduli (link qui sotto).

For the theoretical part: Oral Examination.
For the laboratory part: presentation of a report about the performed experiment (one per group) evaluated as a Written examination; Oral examination.

The Oral Examinations for Theoretical and Laboratory parts can be attended in different examination calls.

Further information are available on the pages related to the two modules (see the link below).



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Attività di supporto

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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 su la 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. Misura di efficienza di un rivelatore a scintillazione. Curva
di coincidenza. Stima del flusso di raggi cosmici. Studio del funzionamento di un rivelatore SiPM.

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. 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 with matter. Review on interaction of charged particles with matter. Review on data analysis.

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 and analysis of energy spectra of gamma sources. Observation of Compton effect. Identification of radioactive elements in the natural backrgound and is some rock samples. Measurement of total absorption coefficient on Pb. Measurement of gamma source activity. Observation of sum effects with a 60Co source.

-Alpha spectroscopy: Energy measurement of alfa articles by means of a Si detector. Energy loss of alpha particles through thin films. Mesurement of the range of alfa particles in air. Observation of secondary peaks in 241Am and estimate of teir branching ratios. Analysis of the decay chain of 232Th.

-Cosmic rays: Detection of cosmic rays by means of scintillation detectors. Efficiency measurement of scintillation detector. Coincidence curve. Estimate of the cosmic rate flux. Study of the properties of a SiPM detector.

Testi consigliati e bibliografia

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PARTE TEORICA
Dispense a cura di M. Costa
B. Povh et al., Particelle e Nuclei, Bollati e Boringhieri (2000)
D. H. Perkins, Introduction to High Energy Physics, IV edizione, Cambridge University Press  (2000)


PARTE PRATICA DI LABORATORIO
Dispense/Schede dei docenti con la fisica e la spiegazione delle esperienze, manuali della strumentazione utilizzata. Si veda la sezione "Materiale Didattico" nella pagina del modulo (link qui sotto).

THEORETICAL PART
Lecture notes by M. Costa (in Italian)
B. Povh et al., Particelle e Nuclei, Bollati e Boringhieri (2000) (available in the English edition as well)
D. H. Perkins, Introduction to High Energy Physics, IV edizione, Cambridge University Press  (2000)


PRACTICAL PART IN THE LAB
Lecture notes/worksheets by the professors concerning the Physics basics and the explanation to the experiments, handbooks of the instrumentation which is used. See the section "Materiale Didattico" (Educational Material) in the webpage of the module (click the link below).





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Orario lezioni

Lezioni: dal 12/01/2017 al 15/03/2017

Nota: Orario visualizzabile alla sezione "Orario lezione"

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Note

MAGGIORI INFOMAZIONI SU PROGRAMMA, MODALITA' DI INSEGNAMENTO E DI ESAME, OLTRE CHE MATERIALE DIDATTICO, SONO DISPONIBILI NELLE PAGINE DEI DUE MODUDLI (link qui sotto).

Per lo svolgimento del laboratorio e' richiesta l'iscrizione al modulo corrispondente.

ATTENZIONE: Vecchio Esame Laboratorio V : Chi ha nel carico didattico l'esame di Laboratorio V (6 CFU di cui 3CFU Lab Nucleare e 3 CFU Lab Struttura) del vecchio ordinamento e' pregato di contattare i docenti via mail in anticipo.

FURTHER INFORMATION ON PROGRAMME, TEACHING AND EXAMINATION PROCESSES, IN ADDITION TO EDUCATIONAL MATERIAL, ARE AVAILABLE ON THE WEBPAGES OF THE TWO MODULES (click the link below).

To attend the laboratory it is necessary to register for the adequate module.

PAY ATTENTION: Old Exam Laboratory V : Who has the exam "Laboratory V" in the educational plan (6 credits whose 3 concerning Nuclear Lab and 3 concerning Structure of Matter Lab), provided for the Old Educational System, is kindly requested to contact the professors via email in advance.



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Moduli didattici

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Ultimo aggiornamento: 15/04/2017 10:54
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