Corso di insegnamento

“Laboratorio di Fisica Nucleare e Sub-Nucleare”

Corso di Laurea Magistrale in Fisica

AA 2016-2017 – 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

Contenuti delle lezioni