Corso di insegnamento
“Laboratorio di Fisica Nucleare e Sub-Nucleare”
Corso di Laurea Magistrale in
Fisica
AA 2018-2019 – docente
titolare: dott. Stefania Spagnolo
II Semestre del primo anno di
Corso.
Crediti 7 (4 di lezione, 28h + 3 di laboratorio, 36h)
1) Presentazione e obiettivi del
corso
Il corso specializza gli obiettivi
formativi generali della laurea magistrale in Fisica alle tematiche culturali
della Fisica Sperimentale delle Interazioni Fondamentali.
Il corso, in particolare, intende far
acquisire allo studente familiarità con le metodologie e la strumentazione più
tipicamente utilizzate nella fisica sperimentale nucleare e sub-nucleare. Con
tali strumenti culturali si affrontano, in una specifica misura svolta in
laboratorio, le problematiche generali legate alla sperimentazione nell’ambito
della fisica sub-nucleare. La misura classica proposta, come palestra per il
conseguimento di tali obiettivi, è la misura della vita media del muone. Gli
aspetti sperimentali con cui gli studenti vengono a contatto diretto sono:
implementazione del metodo di misura attraverso l’utilizzo di strumentazione
NIM per la gestione di logica elettronica; utilizzo di strumentazione CAMAC per
l’acquisizione dei dati; procedure di calibrazione della strumentazione; scelta
del punto di lavoro ottimale per i rivelatori utilizzati; analisi dei dati.
Bibliografia:
Testi suggeriti:
W.R. Leo, “Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments”, Springer-Verlag;
R.C. Fernow,
“Introduction to Experimental
Particle Physics”,
Cambridge University Press;
C. Grupen,
B. Shwartz, “Particle
Detectors”, Cambridge University Press;
Rassegne suggerite:
http://pdg.lbl.gov/2012/reviews/rpp2012-rev-passage-particles-matter.pdf
http://pdg.lbl.gov/2012/reviews/rpp2012-rev-particle-detectors-accel.pdf
http://pdg.lbl.gov/2012/reviews/rpp2012-rev-monte-carlo-techniques.pdf
http://pdg.lbl.gov/2012/reviews/rpp2012-rev-cosmic-rays.pdf
2) Conoscenze e abilità da
acquisire
Interazioni radiazione-materia:
perdita
di energia media di particelle cariche nella materia, radiazione Cherenkov, scattering multiplo e
fluttuazioni della perdita di energia, interazioni di fotoni con la materia,
sciami elettromagnetici, interazioni di neutroni con la materia.
Caratteristiche generali dei
rivelatori di particelle: sensitività, risoluzione, efficienza, tempo morto.
Caratteristiche generali dei
Rivelatori a Ionizzazione: ionizzazione e trasporto nei gas, moltiplicazione a
valanga, il contatore a gas proporzionale; generalità su MWPC e rivelatori a drift, come rivelatori di tracciamento.
Scintillatori e dispositivi
fotomoltiplicatori: luce di scintillazione e materiali scintillanti;
conversione del segnale luminoso in segnale elettrico e amplificazione nei
fotomoltiplicatori.
Caratteristiche generali di
rivelatori di posizione a semiconduttore: la giunzione pn
polarizzata inversamente come rivelatore di radiazione; rivelatori a
micro-strip.
3) Prerequisiti
Formazione di base acquisita nella
laurea triennale in Fisica. In particolare, si assumono noti i fondamenti della
cinematica relativistica, i concetti di vita media, sezione d’urto, libero
cammino medio, metodi statistici elementari per l’elaborazione dei dati.
4) Docenti coinvolti nel modulo
didattico
Potranno essere coinvolti nello svolgimento delle
lezioni e/o delle attività in laboratorio altri docenti o ricercatori INFN a seconda
della disponibilità o dell’interesse, anche da parte degli studenti, a
sviluppare qualche tema specifico o a illustrare setup sperimentali in utilizzo
nel laboratori di ricerca INFN a scopo dimostrativo.
5) Metodi didattici e modalità di
esecuzione delle lezioni
Le lezioni sulle tematiche elencate
al punto 2) sono seguite da una serie di sessioni di lavoro nel Laboratorio di
Didattica di Fisica Nucleare e Subnucleare o in altri laboratori INFN e del
Dipartimento. Si utilizzera’ un apparato sperimentale
con piani di scintillatori di grande superficie, equipaggiati con
fotomoltiplicatori tradizionali,
predisposto per la misura della vita media del muone. L’utilizzo di tali
rivelatori per l’implementazione della misura è interamente sviluppato dagli studenti,
con la guida del docente, durante le sessioni in laboratorio, dai passi di
definizione del punto di lavoro degli scintillatori, fino all’acquisizione dei
dati.
Ciascuno studente presenta, a
conclusione del corso, una relazione sulla misura svolta in laboratorio, che
riassume tutte le fasi sperimentali rilevanti e presenta l’interpretazione dei
dati acquisiti nella fase finale per derivare la misura della vita media del
muone.
6) Materiale didattico
Macro di analisi dati basate sulla piattaforma di
analisi statistica dei dati ROOT, http://root.cern.ch/drupal/,
ampiamente utilizzata nella ricerca in fisica delle alte energie, sono fornite
come esempio e punto di partenza per ulteriori sviluppi da parte degli
studenti.
7) Modalità di valutazione degli
studenti
La valutazione si basa sull’elaborato finale, sulla sua
discussione in sede di esame e sulla verifica della padronanza dei concetti
generali, riguardanti le principali tecniche di rivelazione, sviluppati durante
le lezioni e nello svolgimento della misura in laboratorio.
Modalità di prenotazione dell’esame
e date degli appelli
Gli studenti possono prenotarsi per
l’esame finale esclusivamente utilizzando le modalità previste dal sistema VOL
Il Docente
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( up top)
Lezione n. 1 Giovedì 14 marzo ’19
Introduzione del corso. Concetti
generali riguardanti la rivelazione di radiazione.
Sommario delle proprietà generali
di particelle metastabili.
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( up top)
Lezione n. 2 Venerdì 15 marzo ’19
Massimo trasferimento di energia in
un urto. Esercizi di cinematica.
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( up top)
Lezione n. 3 Mercoledì 20 marzo ’19
Richiamo del concetto di sezione
d’urto.
Particelle cariche: perdita di
energia nei materiali per collisioni inelastiche con gli elettroni del mezzo.
Derivazione di Bohr del valore medio di energia
ceduta al mezzo per unità di spessore attraversato.