NUCLEAR AND SUBNUCLEAR GEOPHYSICS
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- FABIO MANTOVANI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- FIS/04
Obiettivi formativi
- Il corso si pone l’obiettivo di discutere in modo critico i recenti sviluppi dell’esplorazione della Terra solida utilizzando le conoscenze acquisite nel campo della fisica nucleare e subnucleare. Classicamente lo studio delle proprietà fisiche della Terra si è sempre basato su metodi sismici, gravimetrici, magnetici, elettrici, elettromagnetici e di telerilevamento. I formidabili progressi raggiunti nella conoscenza e nelle tecniche di rilevazione di particelle nucleari e subnucleari hanno permesso di approcciare con metodi innovativi e complementari la comprensione della struttura, della composizione e dell’evoluzione geodinamica del nostro pianeta.
Le conoscenze acquisite dallo studente riguardano l’esplorazione della Terra attraverso i classici metodi geofisici e si focalizzano sulle metodologie nucleari e subnucleari. Partendo dalle basi di geofisica le lezioni si articolano in una serie di approfondimenti incentrati sulle recenti ricerche nel campo dei raggi cosmici e dei neutrini. Il corso fornisce informazioni sulla struttura e sull’evoluzione termica del Terra, sulle proprietà dei neutroni e dei gas nobili radioattivi, sui raggi cosmici, sui neutrini di origine cosmica e sugli antineutrini di origine terrestre.
Lo studente è tenuto a sviluppare abilità nello studio critico delle recenti review scientifiche, applicando le conoscenze per capire le tecniche sperimentali utilizzate finora ed in futuro. Il corso inoltre stimola l’abilità nel risolvere problemi riguardanti i decadimenti nucleari, la radiochimica, la geocronologia, l’energetica, la stima del flusso di raggi cosmici e neutrini, nonché gli effetti di attenuazione delle particelle elementari che attraversano la Terra. Prerequisiti
- Sono richieste nozioni elementari di statistica, calcolo differenziale ed integrale, nonché i fondamenti di chimica e fisica nucleare, con particolare riferimento ai processi di decadimento radioattivo. La trattazione matematica degli argomenti è tale da essere comprensibile a studenti di laurea magistrale in fisica, ingegneria e scienze della Terra.
Contenuti del corso
- Il corso prevede 54 ore di didattica frontale tra lezioni ed esercitazioni. Esso è strutturato in quattro sezioni.
SEZIONE 1 – FONDAMENTI DI FISICA DELLA TERRA SOLIDA (12 h)
• Il pianeta Terra: geodinamica e tettonica delle placche
• Sismologia
• Gravimetria
• Composizione della Terra ed i modelli Bulk Silicate Earth
• Il calore della Terra
• Struttura della Terra
SEZIONE 2 - L’ESPLORAZIONE DELLA TERRA CON I NEUTRONI ED I GAS NOBILI RADIOATTIVI (12 h)
• Proprietà dei neutroni e dei gas nobili radioattivi
• Flusso di neutroni di origine terrestre e cosmica
• Studio del contenuto idrico dei suoli con i neutroni di origine cosmica
• Tecniche di fisica nucleare per l’esplorazione petrolifera
• Reazioni nucleari naturali ed isotopi radioattivi di gas nobili
• I gas nobili radioattivi come traccianti impiegati nelle scienze della Terra
SEZIONE 3 – L’ESPLORAZIONE DELLA TERRA CON I MUONI (12 h)
• Le proprietà dei muoni di origine cosmica
• I rivelatori di muoni
• La tomografia muonica
• Studio dei sistemi vulcanici, dei bacini idrici sotterranei e dei ghiacciai attraverso muonografia
SEZIONE 4 – L’ESPLORAZIONE DELLA TERRA CON I NEUTRINI (18 h)
• Le proprietà dei neutrini
• Tomografia della Terra con i neutrini
• Studio del profilo di densità della Terra con i neutrini
• Rivelatori di neutrini ad acqua o ghiaccio
• Le proprietà dei geoneutrini
• Modelli di Terra per i geoneutrini
• Esperimenti per la misura dei geoneutrini Metodi didattici
- Le lezioni frontali sono alternate ad esercitazioni che il docente propone di svolgere sia individualmente che attraverso lavori di gruppo nel Laboratorio di Tecnologie Nucleari Applicate all’Ambiente (https://www.fe.infn.it/radioactivity/). Circa un terzo del corso è dedicato allo studio critico di recenti pubblicazioni scientifiche che presentano casi di studio in cui la rivelazione di particelle nucleari e subnucleari ha contribuito alla conoscenza di sistemi vulcanici, del contenuto idrico dei suoli, del calore radiogenico terrestre e della struttura ed evoluzione della Terra.
Tutte le presentazioni mostrate durante le lezioni sono raccolte ed ordinate in Google Classroom, assieme agli articoli scientifici citati nelle slides.
L'orario delle lezioni è concordato con il docente all'inizio del semestre ed è pianificato in modo tale da evitare sovrapposizioni temporali con altri insegnamenti. Si prega pertanto di scrivere un’e-mail al docente (mantovani@fe.infn.it) circa un mese prima dell’inizio delle lezioni dichiarando l'interesse nel frequentare il corso. Modalità di verifica dell'apprendimento
- L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati. L'esame orale è diviso in due parti.
• Una presentazione (circa 10 minuti) attraverso la quale lo studente espone un argomento che ha approfondito in modo autonomo. L'esposizione fornirà l'opportunità di saggiare il grado di approfondimento e la capacità critica con cui sono state scelte le informazioni e le fonti bibliografiche.
• Un colloquio orale (circa 40 minuti) nel quale non verrà chiesto tanto di ripetere gli argomenti trattati a lezione, quanto verrà valutata la competenza nel collegare le conoscenze e le abilità acquisite per affrontare problematiche legate alla geofisica nucleare e subnucleare. Testi di riferimento
- Oltre alle presentazioni mostrate durante le lezioni, al materiale didattico ed agli articoli scientifici messi a disposizione sulla piattaforma Google Classroom, per alcuni argomenti specifici si farà riferimento ai seguenti testi.
• New Theory of the Earth (2nd edition) - Don L. Anderson - California Institute of Technology, 2007.
• Nuclear Geophysics: Applications in Hydrology, Hydrogeology, Engineering Geology, Agriculture and Environmental Science - V.I. Ferronsky – Springer, 2015.
• Cosmic Rays in the Earth's Atmosphere and Underground - L. I. Dorman - Astrophysics and Space Science Library, 2013.
• Geoneutrino Detection - M.C. Chen - Treatise on Geochemistry (2nd edition) Vol. 15, Elsevier Science, 2014.
