Introduzione

Fisica atomica, nucleare e subnucleare. Introduzione al concetto di leptoni, adroni, quark. Esperimento di Rutherford come prototipo del metodo di indagine sulla struttura della materia. Unita' di misura naturali. Collisioni, sezioni d' urto, luminosita' e rate di interazione. I mesoni µ e pigreco. La teoria di Yukawa. Costanti di accoppiamento: i vari tipi di interazione e relativi valori delle sezioni d'urto . Esempio di sezioni d' urto adroniche . Vita media di una particella, rate di decadimento, distribuzione Breit-Wigner.

Apparati sperimentali nella fisica delle particelle

Principi generali sul funzionamento degli acceleratori di particelle. Descrizione delle caratteristiche generali di un esperimento di fisica delle alte energie. Misure in campo magnetico e risoluzione in impulso. Caratteristiche dei calorimetri elettromagnetici. Calorimetri adronici. Perdita di energia per ionizzazione e sue fluttuazioni: formula di Bhete-Bloch, formula di Landau. Rivelatori di tracce a gas, a semiconduttore . Misura dei muoni, scattering multiplo e suoi effetti sulla risoluzione in impulso.Rivelatori Cerenkov e a e radiazione di transizione.

Interazioni elettromagnetiche

Richiami sulle equazioni di Schroedinger, Klein-Gordon, Dirac. Spinori di Dirac. Il fotone: stati di polarizzazione. Regole di Feynman per i diagrammi QED. I principali processi QED a ordine albero . Il processo e+e- -> µ+µ-. Regole per la somma sugli spin. Regola d' oro per lo scattering. Sezioni d' urto Moeller, Bhabha, annichilazione in due fotoni con l'uso degli invarianti,s, t, u. Cenni su polarizzazione del vuoto e running coupling constant.

La struttura degli adroni e il modello a quark-partoni

Scattering Mott e struttura interna del protone. Formula di Rosenbluth e fattori di forma elettrico e magnetico del protone. Risultati sperimentali. Scattering inelastico elettrone-protone e funzioni di struttura Wl W2. Confronto tra previsioni teoriche e risultati sperimentali. Evidenza dinamica dei costituenti degli adroni. Scaling di Bjorken e relazione di Callan-Gross. Il modello a partoni. Cinematica dei costituenti e infinite momentum frame. Funzioni di distribuzione dei costituenti. Regole di somma e necessita' dei gluoni e delle coppie quark-antiquark virtuali. Quark di valenza e di mare. Il rapporto R e la carica dei quark. L'annichilazione qqbar ->1+1-, processo Drell-Yan e fenomeno dello scaling. Risultati sperimentali.

Simmetrie e leggi di conservazione

Isospin forte e sue applicazioni. Parita' intrinseca e parita' relativa. Determinazioni sperimentali. Conservazione della parita': verifiche sperimentali. Coniugazione di carica nei sistemi particella antiparticella, il positronio. Inversione temporale: bilancio dettagliato, dipolo elettrico del neutrone, limiti sperimentali. CP e il sistema K Kbar: autostati della stranezza di CP, oscillazione di stranezza, rigenerazione. Violazione di CP: esperimento di Cronin et al., violazione diretta e indotta dall'oscillazione. Esperimenti per la misura di epsilon'/epsilon. Cenni su altri sistemi di oscillazione di flavour. Teorema CPT .

Modello a quark statico e SU(3)

Modello a quark statico: singoletti, ottetti e decupletti. CP degli stati quark-antiquark, simmetria SU(3). Le matrici di GellMan. Rappresentazioni fondamentali 3 e 3bar.  Il quarkonio e i suoi stati. Massa delle particelle e spin dei quark: esempi con mesoni e barioni.
 

II MODULO
 

Interazioni deboli

Evidenza sperimentale delle interazioni deboli; i doppietti leptonici. La stranezza S e le interazioni deboli degli adroni DS=O,l. Teoria di Fermi del decadimento beta. Plot di Kurie. Neutrini sinistrorsi,proiettori di elicità.Determinazione sperimentale dell'elicità del neutrino:esperimento con il Sm. Regole di Feynman per le ampiezze deboli cariche. Necessita' dell'esistenza dei bosoni intermedi W,Z. Il decadimento inverso del µ: sezione d'urto totale e differenziale. Relazione tra gW e la costante di Fermi GF.Teoria di Cabibbo sulle correnti deboli adroniche. . Meccanismo GIM e necessita' di un quarto quark. Calcolo del decadimento del mesone pigreco e soppressione per elicita'. Matrice di Cabibbo, Kobayashi, Maskawa. Scattering inelastico di neutrino e scaling di Bjorken. Regole di somma per le funzioni di struttura F2, F3 di neutrino. Correnti deboli neutre e angolo di Weinberg. Propagatore bosonico.

Fisica dei bosoni intermedi W e Z

Sezione d'urto per il processo e+e- -> Z ->1+1-. Larghezze parziali di decadimento W e Z nelle varie coppie fermioniche. Produzione adronica di W e Z, dipendenza dall'energia, picco Iacobiano. Distribuzione m massa trasversa per il W. Criteri sperimentali nella selezione dei dati di W. Misura della massa del W. Universalita' dell'accoppiamento del W ai fermioni, asimmetria di carica nel decadimento. Moto longitudinale del W e funzioni di struttura. Misura dello Z in interazioni protone-antiprotone: sezioni d'urto,massa. Decadimento W/Z -> jet jet. Distribuzione angolare nel decadimento dello Z e angolo di Weinberg. Risultati sperimentali sulla misura del quark top.

Unificazione elettrodebole

Spinori chirali, spin isotopico debole, corrente di ipercarica debole. Gruppo U(l) SU(2). Trasformazioni di gauge locali, modello di Weinberg Salam. Rottura della simmetria, angolo di Weinberg e accoppiamenti assiali e vettoriali. Cenni sul meccanismo di Higgs e sulle correzioni radiative. Aspetti fenomenologici e sperimentali della misura del bosone di Higgs ai futuri collider adronici.

Fisica del neutrino

Evidenza sperimentale dell'esistenza del neutrino. Scoperta del neutrino elettronico e di quello muonico, scoperta del leptone tau e necessita'del neutrino di tipo tau. Elicita' del neutrino. Esperimenti a LEP sulla determinazione del numero di neutrini. Espansione dell'universo e legge di Hubble. Evoluzione dell'universo: disaccoppiamento della radiazione di n e di quella elettromagnetica, nucleosintesi e abbondanza di He4. Modello solare e produzione di neutrini. Oscillazione di neutrini e effetto MSW. Risultati sperimentali sull'oscillazione di neutrini in caverna e agli acceleratori.
 
 

Le interazioni forti

Le interazioni forti: interazioni "soft" e "hard". I primi dati ISR sulla produzione a grande pT. Partoni e quark, il colore e le sue giustificazioni sperimentali. Adroni come singoletti di colore. La simmetria SU(3) di colore e elementi di QCD. Descrizione qualitativa della liberta' asintotica. Esempi di algebra del colore: coefficienti di colore nel caso di ottetto e singoletto. Le sezioni d'urto elementari QCD ordine aS. Funzioni di struttura e di frammentazione. Risultati sperimentali: trigger di particella singola e trigger bias. Trigger calorimetrici e emergenza dei jet al Collider del CERN, misura di distribuzione inclusiva dei jet e paragone con le predizioni QCD. Cinematica dell'interazione partone-partone e distribuzioni angolari: spin del gluone. Regole di Feynman di QCD e fattori di colore per i vari accoppiamenti. Paragone con i risultati sperimentali.

Libri consigliati per consultazione:
D. Perkins, "Introduction to High energy Physics" (Addison Wesley Pub);
W.S.C. Williams, "Nuclear and Particle Physiscs" (Oxford Science Pub);
D. Griffiths, "Introduction to elementary particles" (Harper & Row Pub);
I.J.R. Aitchinson, "Gauge theory in particle physics" (Adam Hilger Pub);
D. Green, "Lectures in particle physiscs" (World Scientific);
V.Barger, R.Phillips, "Collider Physics" (Addison Wesley Pub);
T. Ferbel, "Experimental techniques in High Energy Physics" (World Scientific).