FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI
Programma consuntivo dettagliato
Prof. F. Costantini A.A .2000/01
1°
Modulo
Introduzione.
- Classificazione delle particelle: leptoni, mesoni, barioni. I quarks ed i gluoni. Le interazioni fondamentali. Unita' di misura naturali.
- Richiami di cinematica relativistica.
- Acceleratori di particelle. Energia disponibile nel CM negli acceleratori ad anello di accumulazione o con fascio estratto. Luminosita'. Esempi di rapporto segnale fondo.
- Confronto tra colliders adronici ed e+e- .Distribuzione di impulso partonico ed energia effettiva disponibile nel CM partone-partone. Esempio: sezione d' urto di produzione t-tbar da collisioni quark-quark e gluone-gluone.
Interazione della radiazione con la materia.
- Sezione d' urto e probabilita' di interazione nell' attraversamento di un materiale. Cammino libero
medio. Meccanismi di perdita di energia di cariche pesanti nell' attraversamento di materiali. Raggi delta.
- Formula di Bohr e formula di Bethe-Bloch (B.B.). Perdita di energia per unita' di spessore di massa. Correzioni: effetto densita' ed effetto shell.
- Dipendenza dalla velocita' (b) del proiettile. Limiti di validita' della B.B. Il Minimum Ionizing Point.
- Grafici della perdita di energia di particelle diverse in materiali diversi. Il ‘range’ delle particelle. Legge di scala per il range e curve sperimentali.
- Cenni alla perdita di energia in materiali cristallini. Channeling assiale e planare.
- Scattering Coulombiano multiplo. Approssimazione gaussiana. Angolo nello spazio e proiettato. Esempi.
- Importanza dello scattering multiplo negli spettrometri e nei rivelatori di microvertice.
- Perdita di energia per elettroni. Energia critica. Radiazione di sincrotrone e Bremsstrahlung. Angolo medio di emissione. Esempi.
- Lunghezza di radiazione e dipendenza dal numero atomico e dalla carica. Perdita di energia in funzione dell' energia e riconoscimento delle particelle.
- Scintillatori plastici. Angolo di riflessione totale. Guide di luce. Fotomoltiplicatori.
- Interazione dei fotoni con la materia. Sezione d' urto fotoelettrica, Compton e di creazione di coppie. Lunghezza di assorbimento. Produzione di sciami elettromagnetici.
- Effetto Cerenkov. Angolo di emissione. Energia emessa per unita' di frequenza e di percorso. Costruzione di Huygens. Numero di fotoni emessi. Esempi quantitativi di rivelazione. Contatori Cerenkov differenziali ed a soglia. Ring Imaging Cerenkov. Utilizzo dei Cerenkov per l' identificazione delle particelle.
- Rivelatori di posizione. Camere proporzionali multifili. Principio di funzionamento. Dipendenza del fattore di amplificazione dalla tensione: regimi. Processi fondamentali nei gas. Ionizzazione specifica nei gas nobili e miscele.
- Utilizzo di gas poliatomici come 'quenchers'. Velocita' di drift in funzione del campo elettrico. Efficienza e flusso massimo di particelle rivelabili. Risoluzione spaziale e 'staggering'. Risoluzione temporale.
- Segnale indotto e moto degli ioni e degli elettroni. Camere a drift: principio di funzionamento. Risoluzione spaziale e temporale. Time proportional chamber.
- Rivelatori a radiazione di transizione. Principio di funzionamento. Distinzione tra elettroni e pioni. Intervallo di utilizzo. Caratteristiche costruttive. Energia emessa e numero medio di fotoni. Discussione delle caratteristiche di un prototipo. Confronto tra diversi radiatori. Ottimizzazione tra la reiezione dei pioni e l’ efficienza di rivelazione degli elettroni.
Misure di energia : calorimetri.
- Calorimetri elettromagnetici. Sviluppo longitudinale di uno sciame elettromagnetico: numero di elettroni ed energia media in funzione del numero di lunghezze di radiazione attraversato. Sviluppo trasversale: raggio di Moliere. Valori numerici per alcuni elementi.
- Calorimetri omogenei ed a campionamento. Fluttuazioni di lunghezza di traccia e risoluzione energetica. Dipendenza della risoluzione energetica di un calorimetro e.m. : termine stocastico, di rumore e termine costante. Esempi di calorimetri e.m. utilizzati da alcuni esperimenti e loro risoluzione energetica. Misure di distribuzione longitudinale e trasversale degli sciami e.m.
- Calorimetri adronici. Lunghezza di interazione. Lo sviluppo longitudinale e trasversale degli sciami adronici. Il principio della compensazione.
Misure di impulso: spettrometri.
- Struttura degli spettrometri magnetici per esperimenti a bersaglio fisso. Sorgenti di errore nella misura dell' impulso: errore nella misura di posizione e scattering multiplo. Spettrometri a due bracci.
- Contributo relativo dell' errore da scattering multiplo e da posizione per Air Core Magnets e per Iron Core Magnets.
Simmetrie e leggi di conservazione.
- Simmetrie continue e discrete, leggi di conservazione ed osservabili fisiche: il teorema di Noether.
Parita’ spaziale. Principio di bilancio dettagliato e misura dello spin di pioni carichi. Spin del pione neutro. Parita’ intrinseca dei bosoni: misura della parita’ intrinseca del pione neutro. Parita’ intrinseca dei fermioni: l’ esperimento di Wu e Shakhov. Elicita’. Simmetria di isospin. La stranezza e l’ ipercarica. Coniugazione di carica. G parita’. La simmetria CP , il teorema di CPT.
2°
Modulo
Misure di processi elettromagnetici agli anelli di
accumulazione elettrone-positrone.
Misure dei processi di diffusione elastica e di annichilazione agli anelli di accumulazione elettrone-positrone. Richiami dei diagrammi di Feynman per i processi di QED, QCD e per le interazioni deboli.
La scoperta della J/psi e dei suoi stati eccitati. La regola di selezione di O.Z.I. Il meccanismo di G.I.M. La scoperta della Upsilon e di suoi stati eccitati. Dipendenza dall’ energia del rapporto R tra processi adronici ed elettromagnetici e prime evidenze del colore. Asimmetria avanti indietro nel processo di annichilazione a PETRA: evidenza di interferenza con la Z° . Distribuzione angolare dei getti adronici come prima evidenza degli spin dei quark. Eventi a tre getti adronici e prima evidenza dei gluoni. Il quarkonio e la sua analogia con il positronio. Richiamo dell’ equazione di Schroedinger non relativistica.
Misure di processi di diffusione profondamente
inelastica.
Richiami: diffusione Rutherford e Mott. Fattori di forma elettrico e magnetico del nucleone. Diffusione di Rosenbluth. Diffusione elastica e quasi elastica elettrone protone. Diffusione profondamente inelastica. Funzioni di struttura del nucleone. Variabile x di Bjorken. Il modello a partoni. Misure di diffusione con fasci di (anti)neutrini. Distribuzioni di impulso dei quark di valenza e di mare: evidenza dell’ esistenza dei gluoni. Effetto EMC. Indipendenza delle funzioni di struttura da Q2 : l’ invarianza di scala. La relazione di Callan-Gross. La violazione dell’ invarianza di scala. Cenno all’ eqz di G.L.A.P.
Quarks, gluoni. Costante d’ accoppiamento forte, liberta’ asintotica. La simmetria SU(3) di colore.
Classificazione dei mesoni: psudoscalari e vettori, ottetto e singoletto di colore. Interpretazione delle differenze di massa dei mesoni. Modi di decadimento. Il decadimento dei mesoni K neutri: oscillazioni di stranezza. Diagramma a box. Generalizzazione a processi con delta (sapore)=2.
Classificazione dei barioni. Decupletto, ottetti e singoletto. Interpretazione dello spettro di massa dei barioni. Evidenze del numero quantico di colore. Evidenze del rapporto di carica dei quarks.
Misure di processi adronici agli anelli di
accumulazione protone-antiprotone.
Jets: algoritmi di identificazione e misura dei getti di particelle in ambiente adronico. Granularita’ dei calorimetri, colinearita’ ed energia totale trasversa dei jets. L’ energia dei jets e l’ ‘underlying event’.
Algoritmi di ricostruzione e variabili : la sfericita’. Processi di produzione, dipendenza dall’ energia.
Misura dello spin del gluone.
Il collider protoni-antiprotoni del Cern. Gli esperimenti UA1 e UA2. Scoperta dei bosoni vettori intermedi W e Z° . Sezioni d’ urto, processi di produzione, canali di decadimento. Rapporto segnale fondo. Misura della massa di W nel canale di decadimento semileptonico: misura dell’ impulso trasverso mancante, misura della massa trasversa. Il picco Jacobiano. Misura dello spin della W. Asimmetria di carica nel decadimento della W. Misura della massa della Z° in coppie di leptoni: risoluzione in coppie di elettroni ed in coppie di muoni. Misura delle masse di W e Z° nel canale di decadimento jet-jet. Distribuzioni in impulso trasverso ed effetto Drell Yan.
La scoperta del quark top al Tevatron. Gli esperimenti CDF e D0 di prima generazione. Dipendenza dall’ energia dei processi di produzione qq e gg. Canali di decadimento. Criteri di trigger e di selezione dei canali di decadimento del top in bottom.
Fisica dei neutrini.
Decadimento beta. Ipotesi di Fermi dell’ interazione di contatto di 4 fermioni. Costante di Fermi. Determinazione dell’ esistenza del neutrino: gli esperimenti di Reines e Cowan e di BNL-Columbia.
Evidenza sperimentale delle correnti neutre nell’ esperimento Gargamelle. Esperimenti di diffusione neutrino nucleone. Misure dirette di massa del neutrino e, mu, tau. Elicita’. Neutrini di Dirac di Majorana..
Interazione di neutrini con la materia. Teoria delle oscillazioni di neutrini nel vuoto e nella materia.
Neutrini solari. Il sole come sorgente di neutrini. Esperimenti sui nutrini solari ed interpretazione di risultati. Neutrini “atmosferici”: evidenza sperimentale di oscillazioni. Ricerche di oscillazione di neutrini con reattori e con acceleratori.
Transizioni di Fermi e di Gamov-Teller. Violazione della Parita’: il puzzle q-t, l’ esperimento di Wu.
La violazione di CP: l’ esperimento di Cronin e Fitch. Diagrammi di Feynman dei processi deboli.
L’ angolo di Weinberg. Effetti di interferenza di interazioni e.m. e deboli ad anelli e+e-. Interazioni deboli cariche. Transizioni con cambiamento di stranezza: l’ angolo di Cabibbo.
La matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Violazione di CP e fattore di fase: condizione di Jarlskog. Condizioni di unitarieta’. Rappresentazioni della matrice di CKM mediante angoli di Eulero e di Wolfenstein: gerarchia nelle transizioni tra famiglie di quarks.
Cenni al modello standard.
Struttura SU(3)xSU(2)xU(1) del modello. Modello di Weinberg e Salam. Il meccanismo di Higgs della rottura spontanea di simmetria nel MS e nel MSSM. Numeri quantici del bosone di Higgs. Limite superiore sulla massa dello Higgs. Limiti sperimentali attuali. Processi di produzione e di decadimento dello Higgs al LEP2, al Tevatron ed a LHC.
Elementi di cosmologia.
Legge di Hubble. Equazione di Einstein-Friedman. Red-shift. Radiazione cosmica di fondo. Ipotesi del Big-Bang ed evoluzione dell’ universo. La miscela radiazione materia. Formazione dei nuclei. Evidenza dell’ esistenza di materia oscura nell’ universo. Ricerca di materia oscura. Introduzione della costante cosmologica. Inflazione.
R.C. Fernow. Introduction to experimental particle physics. Cambridge U.P. (1986)
W.R. Leo. Techniques for nuclear and particle physics experiments. Springer-Verlag
D.H. Perkins. Introduction to High Energy Physics 4-th Edition Cambridge U.P. (2000)
D. Griffiths. Introduction to elementary particles Wiley (1987)
L. Di Lella Neutrino masses and oscillations. Lake Louis XIV Winter Inst.World Scientific. (2000)
A. Liddle. An introduction to modern cosmology. Wiley
Per consultazione:
Am.Phys.Soc. Review of Particle Physics. Phys. Rev. D
Experimental techiniques in High Energy Physics. T. Ferbel Editor. Addison Wesley (1987)
J.D. Jackson. Classical electrodynamics Wiley (1975)
W.S.C. Williams. Nuclear and particle physics Oxford (1991)
R.N. Cahn, G. Goldhaber. The experimental foundations of particle physics. Cambridge U.P. (1989)
K. Gottfried, V.F. Weisskopf. Concepts of particle physics. Vol 1 Oxford (1984)
Q. Ho-Kim, X.Y. Pham. Elementary particles and their interactions. Springer (1998)
Povh, Rith, Scholz, Zetsche. Particelle e nuclei. Boringhieri (1998)
Neutrino physics. K. Winter Editor. Cambridge U.P.
J. Garcia-Bellido. Astrophysics and cosmology. Hep-ph/0004188 (2000)
S. Weinberg. The first three minutes. Bantam (1977)
Svolgimento del corso nell' A.A. 2000/01
61 Lezioni Prof. F. Costantini
12 Lezioni Prof. L. Di Lella sulla fisica dei neutrini ed elementi di cosmologia.
35 Esercitazioni Dott. M. Grassi
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108 Lezioni + Esercitazioni