Corso di Laurea Magistrale in Fisica

 

Metodi Sperimentali della Fisica Nucleare e Subnucleare

( 7 CFU - 49 h )

 

Ivan De Mitri


 

Il corso č mirato a fornire una conoscenza di base delle tecniche sperimentali utilizzate nella fisica nucleare e subnucleare in esperimenti con o senza fasci di particelle. Gli argomenti trattati sono riportati di seguito.

 
1


Richiami di cinematica relativistica. Studio dei decadimenti a due o tre corpi. Soglia di una reazione. Concetto di massa invariante. Confronto tra esperimenti al collider ed esperimento a bersaglio fisso.
2


Principali caratteristiche delle macchine acceleratrici. Acceleratori elettrostatici. Acceleratori lineari e anelli di accumulazione. Uso di cavitą a radiofrequenza e di campi magnetici dipolari e quadrupolari. Oscillazioni di betatrone. Luminositą di un collider. Perdite di energia per radiazione di sincrotrone. Produzione di fasci secondari di fotoni, muoni, pioni, kaoni e neutrini.
3


 

Sistemi utilizzati per la misura delle proprietą cinematiche di una particella e per la sua identificazione. Spettrometri magnetici per la misura dell’impulso. Tecniche per l’identificazione di particelle (misure di ionizzazione, sistemi per la misura del tempo di volo, rivelatori Cerenkov, TRD). Calorimetria adronica ed elettromagnetica.
4


Caratteristiche principali di un apparato sperimentale. Disposizione dei vari tipi di rivelatori. Efficienza ed accettanza. Tempo morto. Trigger e sistema di acquisizione.
5


Analisi dettagliata di alcuni esperimenti "classici", particolarmente significativi.

- Esperimento di Rossi e Nereson per la determinazione del tempo di decadimento del muone.

- Esperimento di Segrč, Chamberlain et al. per la rivelazione dell’antiprotone.

- Esperimento di Garwin et al. per la misura della violazione di paritą nei decadimenti di pioni carichi e muoni e misura del fattore giromagnetico del muone.

- Esperimenti di Ting et al. e di  Richter et al. e scoperta della J/y .

- Rivelazione dei bosoni vettori W± e Z0 in UA1.

- Rivelazione del burst di neutrini dalla supernova SN1987A nell'esperimento Kamiokande.

- Osservazione del quark top nell'esperimento CDF.

6


Tecniche sperimentali per la misura della massa dei neutrini e/o dei parametri di oscillazione. Esperimenti sulla misura del flusso dei neutrini atmosferici, solari, da reattore e da fascio artificiale (a lunga e corta gittata).
7


Misura delle caratteristiche principali della radiazione cosmica di alta energia. Tecniche sperimentali utilizzate per le misure dirette e per quelle indirette. Cenni di astronomia con fotoni e neutrini di alta energia.

     

Testi consigliati:
R. Fernow Introduction to experimental particle physics  Cambridge University Press
S. Eidelman et al. (the particle data group) Review of particle physics  Physics Letters B 592 (2004), 1-1109
T. Ferbel Experimental techniques in high energy nuclear and particle physics  World Scientific
Per ulteriori approfondimenti:    
W.R.. Leo Techniques for nuclear and particle physics experiments  Springer -Verlag
G. Knoll Radiation detection and measurements  John Wiley & Sons
K. Kleinknecht Detectors for particle radiation  Cambridge University Press
R. Gilmore Single particle detection and measurement

 Taylor & Francis

W.E. Burcham and M. Jobes Nuclear and Particle Physics  Prentice Hall
R.N. Cahn & G. Goldhaber The experimental foundations of particle physics  Cambridge University Press

 

Riferimenti bibliografici per gli esperimenti trattati al punto (5):
B. Rossi and N. Nereson Experimental determination of the disintegration curve of mesotrons  Physical Review, vol. 62, pag. 417 (1942)
O.Chamberlain, E.Segrč, C.Wiegand and T. Ypsilantis Observations of antiprotons  Physical Review, vol. 100, pag. 947 (1955)
R.L.Garwin, L.M.Lederman and M.Weinrich Observations of the failure of conservation of parity and charge conjugation in meson decays: the magnetic moment of the free muon  Physical Review, vol. 105, pag. 1415 (1957)
J.J.Aubert et al.

J.E.Augustin et al.

C.Bacci et al.

Experimental observation of a heavy particle J

Discovery of a narrow resonance in e+ e- annihilation

Preliminary results of Frascati (ADONE) on the nature of a new 3.1GeV particle produced in e+ e- annihilation

 Physical Review Letters, vol.33, pag.1404 (1974)

 Physical Review Letters, vol.33, pag.1406 (1974)

 Physical Review Letters, vol.33, pag.1408 (1974)

G.Arnison et al.

Carlo Rubbia

Experimental observation of isolated large transverse energy electrons with associated missing energy at √s = 540 GeV

Experimental observation of the intermediate vector bosons W± and Z0

 Physics Letters, vol.122B. pag.103 (1983)

 Nobel lecture, 8 December 1984

K. Hirata et al.

M. Koshiba

Observation of a neutrino burst from the Supernova SN1987A

Birth of neutrino astrophysics

 Physical Review Letters, vol.58, pag.1490 (1987)

Nobel Lecture, 8 December 2002

F. Abe et al. Evidence for top quark production in (anti-p)-p collisions at sqrt(s) = 1.8 TeV 

Observation of top quark production in (anti-p)-p collisions with the Collider Detector at Fermilab

Physical Review Letters, vol.73, pag.225 (1994)

 Physical Review Letters, vol.74, pag.2626 (1995)


Prerequisiti

Formazione di base acquisita nella laurea triennale in Fisica.
In particolare, si assumono noti i concetti di vita media, sezione d’urto, libero cammino medio, metodi statistici elementari per l’elaborazione dei dati.  


Modalita' d'esame
Colloquio orale sugli argomenti del programma.
 

Ulteriore materiale di supporto (grafici, dispense, ..):

- Appunti di cinematica relativistica (.pdf , .ps )

- Slides sui rivelatori di particelle, Cern Summer School 2002 ( Parte  I , II , III , IV , V, VI )

- Appunti del corso di Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare del Prof. F. Ceradini (Universitą di Roma 3 - INFN)

- Slides sulle tecniche di simulazione di un esperimento

- Grafici relativi alla fisica dei raggi cosmici e le tecniche di rivelazione


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