Fisica nucleare teorica e sperimentale

Fisica Nucleare a Padova
Teorica e Sperimentale
Lo spettro della Fisica Nucleare
Domande fondamentali
moti collettivi
Interazione nucleare ? Quali sono i limi2 di esistenza dei nuclei (drip lines)? Interazzione NN
Quali sono le proprieta’ dei nuclei alle driplines? e interazione efficace
Simmetrie
3
Esistono nuovi 2pi di mo2 colle:vi lontano dalla stabilita’? Come nascono le simmetrie nei nuclei? Le nuove frontiere: i nuclei esotici
198 (284) nuclei “stabili”
86 nuclei con T1/2 ~109 anni
3600 nuclei radioattivi
conosciuti
6000 nuclei di “possibile”
esistenza
4
Il progetto SPES ai LNL
Progetto indirizzato alla ricerca
fondamentale in fisica nucleare e
astrofisica con fasci radioattivi ricchi di
neutroni e con applicazioni su:
- produzione di radioisotopi per medicina;
- fasci di neutroni per studio di materiali e per i
reattori di IV generazione
End 2014 @ LNL
First radioactive beam: 2017
Le reazioni nucleari
Reazione di fusione-evaporazione
target
Lo studio della dinamica delle
reazioni ci permette di studiare nucleus
molti fenomeni e proprieta’ dei
nuclei.
beam
fusion
10-22 s
compound
formation
nucleus
Reazione di
break-up
Reazione di
trasferimento
10-19 s
particle
evaporation
10-15 s
γ emission
10-9 s
ground state
Reazioni nucleari a Padova
Esperimento
Dinamica delle reazioni
Produzione fasci
radioattivi: EXOTIC
Reazioni elastiche e
quasi elastiche
Metodi semiclassici
Reazioni di breakup
Studio di stati legati
e stati nel continuo.
Marco Mazzocco
Spettrometro
magnetico PRISMA
M W PPA C
IC
Giovanna Montagnoli
Fernando Scarlassara
Teoria
Reazioni di fusione sotto
la barriera coulombiana
Modelli a cluster
11Li
Reazioni di trasferimento
di molti nucleoni
Lorenzo Fortunato, Andrea Vitturi
INFN: Luciano Canton, Paolo Lotti
Fusione, Trasferimento e deep-inelastic
Sezione d’urto
di fusione
Lo spettrometro magnetico PRISMA
con i suoi rivelatori permette
l’identificazione completa dei prodotti
di reazione di trasferimento di molti
nucleoni
M W PPA C
IC
Giovanna Montagnoli
Fernando Scarlassara
Produzione di fasci radioattivi a LNL
A LNL la facility EXOTIC
produce fasci radiattivi di:
17F, 8B e 7Be
Studio della dinamica di reazione indotta
da fasci radioattivi leggeri (6He, 7Be, 8B,
17F) su bersagli medio-pesanti (58Ni) o
pesanti (208Pb) ad energie attorno alla
barriera coulombiana.
Marco Mazzocco
Struttura nucleare
Spherical
Deformed
collective
motion
non-collective
motion
Lo studio dei livelli energetici
del nucleo permette di conoscere
la sua struttura:
•  forma
•  configurazione
•  simmetrie
•  gradi di liberta’
•  informazione sull’interazione
Struttura nucleare a Padova
Esperimento
Spettroscopia gamma
Struttura nucleare
Struttura a shell in
nuclei ricchi di neutroni
Teoria
Modello a shell
Interazione efficace
Modelli algebrici
Simmetria di isospin
Simmetrie dinamiche
proton-neutron pairing
Modelli collettivi
Transizioni di fase
di forma
R
ω
Decadimenti esotici
I
Modello collettivo (o geometrico) di
Bohr & Mottelson
Si approssima il nucleo con una goccia di liquido
quantistico capace di fare delle oscillazioni rispetto alla
forma di equilibrio (che può essere sferica, prolata, oblata,
triassiale, ottupolare, etc.)
L. Fortunato EPJA 26, s01 (2005)
L.
Studio sperimentale e teorico della
struttura nucleare
13
+
H.O
N=3
2p
1f
L.S
40
28
20
p1/2
f5/2
p3/2
f7/2
20
N=2
d3/2
s1/2
2s
1d
d5/2
8
8
N=1
1p
p1/2
p3/2
Highlighted by the
American Physical Society
as exceptional research
!  Disappearance / appearance
of magic numbers
Silvia Lenzi
Transizione di fase di forma
Lungo catene isotopiche si puo’ studiare l’evoluzione della forma del nucleo
con diversi modelli: analitici, algebrici (simmetrie dinamiche), modello a shell
Modelli algebrici (interacting bosons)
• 
• 
Articolo divulgativo (inglese) sulle simmetrie al punto critico: EuroPhysicsNews vol. 40 (2009) 1-2
Articolo divulgativo sui nuclei esotici: arXiv:1104.0482v1 [physics.pop-ph] 4 Apr 2011 http://arxiv.org
Lorenzo Fortunato
Andrea Vitturi
Spetroscopia gamma
La rivelazione della radiazione gamma emessa da un nucleo che si diseccita
permette di costruire schemi di livelli dei nuclei e studiare la loro struttura.
Si possono misurare:
•  transizioni elettromagnetiche
•  probabilita’ di transizione
•  momenti elettromagnetici
•  vite medie
GALILEO: il nuovo spettrometro
gamma che entrera’ in funzione
a LNL nel 2013:
Dino Bazzacco
Silvia Lenzi
Santo Lunardi
Roberto Menegazzo
Daniele Mengoni
Francesco Recchia
Laboratorio di Elettronica γ
I sistemi di acquisizione dati degli apparati
sperimentali devono offrire elevate prestazioni
per garantire la misura fisica
Programmazione di
dispositivi FPGA
Qualifica e integrazione
canali ottici digitali ad alta
banda
Disegno, simulazione e
sviluppo di schede
elettroniche digitali
• 
• 
• 
• 
Algoritmi di Trigger real-time (selezione eventi)
Sviluppo di drivers
Marco Bellato
Sistemi di controllo
Roberto Isocrate
Visualizzazione dati
Andrea Triossi
Tracciamento γ
Identified
interaction points
1
Highly segmented
HPGe detectors
·
·
··
·
··
·
· ·
γ
(x,y,z,E)i
Pulse Shape Analysis
to decompose
recorded waves
4
Reconstruction of scattering
sequence from Compton
vertices
3
2
Digital electronics
to record and
process segment
signals
Dino Bazzacco
Silvia Lenzi
Santo Lunardi
Roberto Menegazzo
Daniele Mengoni
Francesco Recchia
2009-2011@ LNL
Now @GSI
2014-2016@GANIL
Dino Bazzacco
Silvia Lenzi
Santo Lunardi
Roberto Menegazzo
Daniele Mengoni
Francesco Recchia
Ricerca nucleare a Padova++
I gruppi sperimentali di Padova lavorano in
collaborazione con i gruppi
dei Laboratori Nazionali di Legnaro
dell’INFN.
Sia i gruppi teorici che sperimentali sono
inseriti in collaborazioni con molti
laboratori e centri di ricerca internazionali.
Per molte linee di ricerca c’e’
collaborazione tra teorici e sperimentali e
nel caso della spettroscopia gamma c’e’
anche la possibilita’ di fare una tesi
teorico-sperimentale.
JYFL
NSCL
LBL
ANL
GANIL
CERN
GSI
RIKEN
Molti degli apparati sperimentali sono stati
progettati e costruiti dai fisici padovani.
Esiste una ampia attivita’ di ricerca su
nuovi rivelatori sia di radiazione gamma
che di particelle cariche e neutroni.
Il progetto SPES presso i LNL permette
anche di fare ricerche in
ambiti piu’ tecnologici.
Dino Bazzacco
Silvia Lenzi
Santo Lunardi
Roberto Menegazzo
Daniele Mengoni
Francesco Recchia
Contact us!
11Li
Luciano Canton, Lorenzo Fortunato,
Silvia Lenzi, Paolo Lotti,
Andrea Vitturi
Teoria
Dinamica
delle
Reazioni
Struttura
nucleare
M W PPA C
IC
Giovanna Montagnoli
Fernando Scarlassara
Marco Mazzocco
Dino Bazzacco, Silvia Lenzi,
Santo Lunardi, Roberto Menegazzo,
Daniele Mengoni, Francesco Recchia
[email protected]
22
Benvenuti in ALICE:
un viaggio all’inizio dell’Universo
Sandra Moretto
Per il gruppo di ALICE Padova
L’esperimento ALICE
L’esperimento ALICE a LHC
CERN
Il progetto coinvolge una
collaborazione internazionale di più di
1200 fisici, ingegneri e tecnici.
ALICE è l’acronimo per:
A Large Ion Collider Experiment
uno dei più grandi esperimenti del
mondo dedicati all’ “essenza della
materia”.
In particolare, è un esperimento
dedicato alla Fisica delle collisioni tra
ioni pesanti ad energie
ultrarelativistiche
23
ALICE: le domande fondamentali
24
L’esperimento ALICE è alla ricerca di risposte per domande
fondamentali:
! Cosa accade alla materia quando è scaldata 100000 volte
la temperatura al centro del sole?
! Perché i protoni e i neutroni pesano 100 volte di più dei
quark di cui sono fatti?
! Possono essere liberati i quark che si trovano dentro i
protoni e neutroni?
ALICE: Perché?
Libertà asintotica: a distanze molto brevi o a
energie molto alte, le forze “sentite” dalle
particelle che interagiscono fortemente si
avvicinano a zero.
Dove ci aspettiamo che si possa formare
questo cambiamento della materia nucleare in
uno stato deconfinato?
! Nelle prime fasi calde dell'universo uno stato
deconfinato di quark e gluoni, quark-gluon
plasma, sopravvive per alcuni microsecondi
prima che il sistema si raffreddi e diventi
materia nucleare ordinaria.
! Nelle stelle di neutroni
! Nei Collider Relativistici di Ioni Pesanti
25
Plasma
di quarkgluoni
protoni/
neutroni
nuclei
atomici
ALICE: Come?
26
ALICE è stato progettato per misurare, nel modo più completo
possibile, le particelle prodotte nelle collisioni che avvengono al
suo centro, così che si possa ricostruire e studiare l'evoluzione
del sistema in spazio e in tempo.
p
q
q
p
A+A
≠
N(p+p)
Fisica delle Collisioni tra Ioni
Pesanti Ultrarelativistici
Collsionio centrali: QGP
Collisoni periferiche: no QGP
ALICE: Possibili Tesi Triennali
La perdita di energia nel mezzo
Cammino L
q"
Pb!
Pb!
q"
ω
q"
kT
q"
λ
Energia Persa Partonica:
•  Radiazione gluonica indotta dal mezzo
•  Collisioni con i gluoni del mezzo
" 
La geometria del sistema è asimmetrica in
collisioni non centrali
-> distribuzione dei momenti dipende
dall’angolo rispetto al piano di reazione
Possiamo misurare questo effetto con il
parametro di flusso ellittico v2
27
ALICE: Possibili Tesi Magistrali
I quark pesanti (c,b), sonde speciali per
comprendere il QGP •  prodotti principalmente nei
primi istanti
della collisione → portano
informazione da tutta la storia della
collisione
c,b"
c,b"
• 
Non vengono annichilati nelle
interazioni con il QGP -> possono
essere identificati nello stato finale
Per esempio:
D0(cu)->K-π+
ricostruzione di massa
invariante
D0
28
Il futuro di ALICE: ALICE UPGRADE
Il progetto di InnerTrackingSystemUpgrade
costruzione di un nuovo rivelatore di
vertice di 7 livelli (layers) di silicio con
performance significativamente migliori
dell’attuale in vista dell’upgrade di LHC
rφ
z
29
Contatti
Per ulteriori informazioni potete contattare:
Andrea Dainese
Piero Giubilato
Marcello Lunardon
Sandra Moretto
Rosario Turrisi
( # infn)
(# unipd)
(# unipd)
(# unipd)
(# infn)
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31
BACK-UP SLIDES
ALICE: Riassunto
Per riassumere:
TESI TRIENNALI:
1. perdita di energia nel mezzo per pioni e lambda
2. Studio del flusso ellittico di particelle D0
3. Simulazioni per la risoluzione in parametro d’impatto
TESI MAGISTRALI:
1. misura di produzione D0
2. B jet tag efficiency
3. Test sui nuovi rivelatori a pixel per l’ITS-upgrade
ALICE: il diagramma di fase
Il diagramma di fase per la materia
nucleare, come previsto
teoricamente.
L'asse orizzontale mostra la densità
di materia e l'asse verticale mostra la
temperatura.
(Entrambi gli assi sono mostrati in
scala logaritmica). La densità è data
in multipli della densita’ normale della
materia nucleare.
33
ALICE: How?
34
Noi non abbiamo il lusso di preparare con cura il nostro campione ad una pressione,
temperatura e densità determinate, come si fa quando si studia il diagramma di fase
dell'acqua. Inoltre, c'è un ostacolo forse ancora più grave da superare: il plasma di quark e
gluoni non può sopravvivere più di un paio di volte 10-22 secondi. Dopo di che, la densità e la
temperatura raggiunte tornano a valori che costringono quark e gluoni di ricombinarsi nuovo
in adroni.
A complicare le cose ancora di più, il nostro campione non rimanere ad una data densità e
temperatura, ma si espande e si raffredda durante il nostro esperimento. Inoltre, non abbiamo
alcun modo diretto di misurare le variabili di stato (temperatura, pressione, densità) .
Dobbiamo determinarli da osservabili, quali :
• l'abbondanza di isotopi,
• la produzione di particelle come pioni .
• rapporti di produzione (mesone/mesone, barione/mesone,...)
• distribuzioni in momento
• rapporti di distribuzioni di momento (RAA)
• flusso ellittico
• correlazioni tra particelle, jets
Molte migliaia di adroni emergono da ogni collisione relativistica di ioni pesanti.
Il problema essenziale è quindi di distinguere tra gli adroni che sono stati creati dalle ceneri
del plasma di quark e gluoni dai quelli che sono stati creati nel gas di adroni denso.
ALICE Heavy Flavour Detection: D mesons, |y|<0.8
#  D0 → Kπ (ππ)
D+ → Kππ
Ds → KKπ
D* → D0π
D0 → Kπππ
Λc → pKπ(K0S)
TOF (π/K/p PID)
K
π
TPC (tracking, π/K/p PID)
ITS (tracking & vertexing)
•  Crucial for HF:
–  vertexing, tracking
–  hadron and lepton ID
•  Triggers:
–  minimum-bias (MB)
•  or centrality, in Pb-Pb
Padova, 09.07.12
Andrea Dainese
35
35
Workshop del Dipartimento di Fisica e Astronomia
Padova, 27 Novembre 2012
36
• 
Charm RAA
in central
collisions
0
D meson
1
1
Centrality 0-20%
t |y|<0.5
• 
Grande soppressione nelle collisioni
centrali (0-20%) rispetto al
riferimento p-p (riscalato TAA)
Significativa soppressione anche
nelle collisioni semiperiferiche
(40-80%)
risultati simili per D+, D*
dN/dp |
• 
(GeV-1c)
I quark pesanti (c,b), sonde speciali per comprendere il QGP
pp rescaled reference
Pb-Pb
10-1
-1
10-2
-2
10-3
-3
Centrality 40-80%
10-4
-4
pp rescaled reference
factor 3-4 above 5 GeV/c
Pb-Pb
10-5
-5
0
2
4
6
ALI−PUB−14242
8
10
12
14
16
18
p (GeV/c)
t
Workshop del Dipartimento di Fisica e Astronomia
Padova, 27 Novembre 2012
La perdita di energia nel mezzo
Un altro modo per vedere la soppressione
della produzione di particelle ad alti
momenti trasversi è tramite il cosiddetto
Nuclear Modification Factor (RAA)
RAA ( pt ) =
1 dN AA / dpt
N coll dN pp / dpt
prime evidenze a RHIC
37