ELEMENTS OF SUBNUCLEAR PHYSICS
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- LUCIANO LIBERO PAPPALARDO
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- FIS/02
Obiettivi formativi
- Il corso si prefigge di fornire allo studente una conoscenza di base della fisica delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali. Alla fine del corso lo studente avra' acquisito dimestichezza nella risoluzione di semplici problemi di cinematica relativistica e nel calcolo di sezioni d'urto di alcuni processi elementari. Egli avra' inoltre compreso l'importanza delle simmetrie e delle relative leggi di conservazione nel definire le proprieta' e la fenomenologia delle interazioni fondamentali (elettromagnetica, forte e debole) ed avra' acquisito le conoscenze di base sullo studio sperimentale e teorico della struttura interna degli adroni.
Infine, egli acquisira' una visione d'insieme della moderna fisica delle particelle elementari attraverso le nozioni di base del Modello Standard (invarianza di gauge, unificazione elettrodebole e meccanismo di Higgs). Prerequisiti
- Per la piena comprensione degli argomenti del corso sono richieste le conoscenze di base di meccanica quantistica e relatività ristretta.
Contenuti del corso
- Il corso ha una durata di 54 ore ed e' suddiviso in 10 moduli. I principali argomenti sono:
1. Introduzione e richiami di relatività e meccanica quantistica [6 ore]
- Introduzione al Modello Standard
- Richiami di cinematica relativistica
- Regola d’oro di Fermi, sezioni d’urto e rate di decadimenti
2. Equazione di Dirac e concetti basilari di QFT [5 ore]
- Equazione di Dirac
- Introduzione al formalismo lagrangiano
- Simmetrie e leggi di conservazione
3. Elettrodinamica quantistica (QED) [5 ore]
- Lagrangiana di QED
- Approccio perturbativo e diagrammi di Feynman
- Sezioni d’urto dei principali processi elettromagnetici
- Cenni sulla rinormalizzazione della teoria
- Polarizzazione del vuoto e Lamb shift
4. Simmetrie discrete [3 ore]
- Fermioni e Bosoni
- Parità
- Coniugazione di carica
- Time-reversal
- Teorema CPT
- Cenni su Momento di Dipolo Elettrico (EDM)
5. Adroni [9 ore]
- Isospin, numero barionico e stranezza
- Simmetria SU(3) di sapore e Modello a Quark
- Multipletti mesonici e barionici
- Massa dei mesoni e barioni
- Momento magnetico del protone
- Quark pesanti
- Risonanze adroniche
6. Cromodinamica Quantistica (QCD) [4 ore]
- Trasformazioni locali SU(3)
- Lagrangiana di QCD
- Interazioni quark-gluone
- Fattori di colore
- Mesoni pesanti e potenziale dell’interazione forte
- Confinamento e liberta’ asintotica (running coupling)
- Adronizzazione
- QCD in esperimenti di annichilazione e+e-
- Quark-Gluon Plasma
7. Struttura del nucleone [6 ore]
- Scattering elastico elettrone-protone e fattori di forma del nucleone
- Scattering anelastico
- Scattering profondamente anelastico
- Funzioni di struttura
- Modello a partoni e funzioni di distribuzione partoniche (PDFs)
- Esperimenti a HERA e principali risultati
- Spin del protone
8. Interazioni deboli [8 ore]
- Decadimento Beta e teoria di Fermi
- Numero leptonico
- Violazione di parita'
- Correnti cariche e teoria V-A
- L’esempio del decadimento debole del pione
- Universalità leptonica
- Interazioni deboli dei quark, mixing di Cabibbo e matrice CKM
- Meccanismo GIM
- Correnti neutre
- Scoperta e proprietà dei bosoni vettori W e Z
- Oscillazioni e violazione di CP nel settore dei kaoni neutri
- Cenni su violazione di CP nel settore dei mesoni B e D
9. Unificazione elettrodebole e Meccanismo di Higgs [5 ore]
- Modello di Weinberg-Salam-Glashow
- Accoppiamenti e decadimenti del bosone Z
- Lagrangiana del Modello Standard e invarianza di gauge
- Rottura spontanea di simmetria
- Meccanismo di Higgs
- Scoperta e proprietà del bosone di Higgs
10. Oltre il Modello Standard [3 ore]
- Oscillazione dei neutrini e matrice PMNS
- Limiti del Modello Standard e questioni irrisolte
- Materia oscura: osservazioni e ricerca diretta e indiretta
- Cenni su modelli "beyond SM" (SUSY, GUT, Strings, Preons)
- Cenni su evoluzione dell'Universo primordiale Metodi didattici
- Il corso consiste di lezioni teoriche ed esercitazioni. Le lezioni si svolgono in parte alla lavagna ed in parte mediante proiezione di slides. Quest'ultime verranno fornite allo studente come materiale di complemento (dispense del docente).
Modalità di verifica dell'apprendimento
- L'esame finale consiste in una prova orale. Lo studente e' invitato ad iniziare l'esame con un *argomento a piacere*, da discutere alla lavagna (tipo "lezione"), della durata non inferiore a 10-15 minuti. Alla discussione dell'argomento a piacere seguiranno alcune domande sul resto del programma, con esclusione dei moduli 1, 2 e 10 e di alcuni argomenti specifici. Gli argomenti che possono essere oggetto di domanda d'esame (e dell'argomento a piacere) sono indicati nelle slides delle lezioni con il titolo in blu (le parti contrassegnate col titolo in nero non verranno chieste ne' sara' possibile portarle come argomento a piacere). L'esame puo' essere condotto sia in italiano che in inglese (la scelta della lingua italiana non implica alcuna penalità).
Testi di riferimento
- - Dispense fornite dal docente (slides).
Testo principale di riferimento:
- M. Thomson, "Modern Particle Physics". Cambridge University Press.
Selezione di argomenti specifici da:
- A. De Angelis, Mario Pimenta, "Introduction to Particle and Astroparticle Physics", Second Edition. Springer. Edition 2015. ISBN 978-3-319-78181-5
- S. Braibant, G. Giacomelli, M. Spurio. "Particles and fundamental interactions". Springer. Edizione 2012. ISBN 978-94-007-2463-1
- F. Halzen, A.D. Martin. "Quark & leptons". Wiley.
Altri testi consigliati
- A. Rubbia, "Phenomenology of Particle Physics", Cambridge University Press (2022)
