Fisica Nucleare e sub-nucleare

Fisica Nucleare e Sub-Nucleare
La finalità dell'indirizzo di Fisica Nucleare e Subnucleare del Corso di Laurea in Fisica è di insegnare le proprietà dei costituenti fondamentali della materia: i nuclei atomici, la loro struttura interna e le leggi che governano le interazioni tra i costituenti del nucleo. I nuclei atomici sono degli stati legati costituiti da protoni e neutroni. Alcuni di questi stati sono fortemente legati e stabili, altri invece sono meno stabili e decadono emettendo particelle e radiazioni di diversa natura. Lo studio delle radiazioni e delle particelle emesse nei decadimenti nucleari e lo studio delle interazioni di queste con protoni e neutroni porta a concludere che anche questi ultimi e gran parte delle particelle hanno una struttura interna complessa: sono costituiti da quark in interazione tra loro. La fisica subnucleare studia la struttura interna delle particelle e le leggi che governano le loro interazioni.
La teoria che interpreta i fenomeni studiati in fisica subnucleare (teoria delle interazioni fondamentali tra particelle elementari) è basata sulla meccanica quantistica, la relatività e su principi di simmetria. Il quadro teorico si basa un numero limitato di "particelle elementari" suddivise in sorgenti (ad esempio l'elettrone con la sua carica elettrica) e radiazione (ad esempio la luce emessa dalla carica elettrica quando viene accelerata) ed è in grado di spiegare gran parte dei fenomeni fisici osservati in termini di scambio di energia tra le sorgenti e la radiazione governato da leggi di conservazione.

Gli esperimenti di fisica subnucleare studiano le interazioni di particelle emesse da sorgenti cosmiche oppure quelle prodotte da particelle emesse da grandi macchine acceleratrici. La strumentazione si basa su tecniche di rivelazione della ionizzazione prodotta dalle particelle nell'attraversare la materia. La ionizzazione viene convertita in segnale elettrico, che, dopo essere amplificato e opportunamente trattato, viene convertito in informazione digitale e memorizzato. Per elaborare l'informazione di più rivelatori, gli esperimenti di fisica nucleare sono corredati da una sofisticata strumentazione elettronica e da potenti calcolatori.

Le principali attività di ricerca in Fisica Nucleare e Subnucleare sono illustrate nel documento programmatico del Dipartimento.

Per la fisica teorica sono:

  • fenomenologia delle particelle elementari;

  • teoria delle interazioni fondamentali;

e per la fisica sperimentale sono:

  • studio della struttura dei neclei e della fusione nucleare;

  • studio delle simmetrie delle particelle elementari;

  • studio della struttura del protone;

  • studio della radiazione cosmica di elevatissima energia;

  • sviluppo di rivelatori di particelle ionizzanti per esperimenti su acceleratori;

  • sviluppo di rivelatori di radiazione per applicazioni mediche.

I laboratori con cui il Dipartimento di Fisica collabora in queste attività di ricerca sono:

Nei Laboratori Nazionali di Frascati è in costruzione un acceleratore, DAFNE, in cui si fanno collidere fasci di elettroni e anti-elettroni (positroni) con energia di 500 milioni di elettronVolt. Lo stato prodotto nella annichilazione degli elettroni con i positroni decade in stati composti da diverse particelle che vengono osservate in un grande rivelatore (KLOE). Lo scopo dell'esperimento è di studiare le leggi di simmetria rispetto a operazioni fondamentali quali l'inversione del tempo , delle coordinate spaziali e di quella materia-antimateria.

Nei laboratori del CERN è in funzione un grande anello di collisione (LEP) di 27 km di circonferenza in cui vengono accelerati fasci di elettroni e positroni fino a energie di circa 170 miliardi di elettronVolt (170 GeV). Ricercatori di quasi tutti i paesi osservano con grandi rivelatori gli stati prodotti nelle collisioni e studiano le leggi delle interazioni tra particelle elementari. Fino al 1995 LEP ha funzionato come "fabbrica" di Z, ad una energia nel centro di massa di 90 GeV circa. In questo modo si sono prodotti nelle collisioni diversi milioni di particelle Z che hanno permesso ai fisici di verificare la teoria elettrodebole ad un livello di precisione estremamente alto. Attualmente LEP funziona ad una energia piu' elevata per permettere la produzione di coppie di bosoni W dei quali si vuole misurare la massa con una incertezza di 50 MeV. In progetto negli stessi laboratori del CERN è un nuovo anello di collisione a protoni (LHC). Questo sarà realizzato installando 2000 magneti superconduttori nel tunnel sotterraneo occupato dal LEP e sarà in grado di raggiungere la più elevata energia disponibile in laboratorio: 14 000 miliardi di elettronVolt. Lo scopo primario del programma di ricerca è di studiare il meccanismo per cui le particelle elementari acquistano massa.

Nei laboratori di DESY è in funzione un acceleratore in cui si portano a collidere fasci di elettroni e protoni di alta energia. Il fascio di elettroni viene utilizzato come sonda per studiare la struttura intima del protone, che sappiamo costituito da quark, con risoluzione migliore di 10-18 m. Nei laboratori sotterranei del Gran Sasso sono in funzione alcuni grandi esperimenti che studiano, in condizioni di bassissimo rumore di fondo ambientale, la radiazione di origine cosmica che riesce ad attraversare tutta la montagna, la stabilità della materia e fenomeni di fusione nucleare "fredda", cioè non indotta da elevatissime temperature.

Gran parte del finanziamento per questo genere di ricerche proviene dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). La pagina Web della Sezione di Roma (http://www.roma1.infn.it) ospita una serie di link alle pagine di alcuni esperimenti finanziati nell'area che potete consultare per maggiori informazioni.

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