100 anni dopo Rutherford Ricerche di base ed applicazioni della

100 anni dopo Rutherford
Ricerche di base ed applicazioni della
Fisica Nucleare
Emilio Chiavassa
1
La diffusione di part icelle come met odo d’indagine dei cost it uent i la mat eria
Esperimento di Geiger Marsden 1909
Scattering di α su Au
Risultato: le particelle α possono essere diffuse ad angoli all’indietro
2011 Interpretazione di Rutherford dei risultati
Esiste un nucleo in cui e’ concentrata la massa dell’atomo
2
L’esperimento di Rutherford ha insegnato che si possono studiare
i costituenti della materia con processi di diffusione
Dimensioni spaziali esplor abili
limitate dalla lunghezzad’onda della sonda
Microscopio Luce visibile λ∼ 1 mm struttura cellule
Raggi X → 0.01 – 10 nm struttura atomica
La Fi s i c a Nuc l ear e ha f at t o e f a us o di
ac c el er at or i
Ri c or dar e l a l unghezza d’ onda di una
par t i c el l a
2λ= 197.3/p fm con p in MeV/C
Fi s i c a Nuc l ear e
p →10- 500 MeV λ → 10
3
Unita’ pratiche
elettrone
(energia U)
-
+
1 Volt
U= 1 eV
= 1.6x10-19J
(velocita’ all’elettrodo positivo
18 000 km/s)
1
1
1
1
keV =
MeV =
GeV =
TeV =
103 eV
106 eV
109 eV
1012 eV
LEP = 209 GeV
LHC = 14 TeV
Lunghezza 1fm= 10-15m
4
L’evoluzione dell’energia prodotta dagli acceleratori
5
Le distribuzione dei protoni(forma e densita’) nei nuclei
sono stati studiati con fasci di elettroni di energia fino a 450 MeV
La distribuzione dei nucleoni nel nucleo
6
I nuclei sono costituiti da N neutroni e Z protoni
tenuti insieme da una forza a corto raggio
Pr ot one scoper t o 1919
Neut r one scoper t o 1932
Massa m c2 = 938 MeV
Massa m c2 = 939 MeV
La dist r ibuzione dei neut r oni nei nucleie’ st at a r icavat a con
pr ocessi di dif f usione di neut r oni pr odot t i da acceler at or i
A= Z+N Raggio R=0.25 A1/3 fermi
Il nucleo piu’ pesante presente in natura e’
239
U Z=92
7
I nuclei st abili sono disposti lungo la valle di stabilita’
di questi si conoscono bene le propriet a’
8
Fino agli anni 60
I costituenti dei nuclei neutroni e protoni sono
particelle elementari
I nuclei sono studiati attraverso I decadimenti radioattivi
e soprattutto attraverso reazioni indotte da nucleoni e ioni
prodotti da acceleratori .
Vengono formulati modelli
Modello a shell
I nucleoni si muovono quasi liberi in un potenziale creato dalla
presenza degli altri nucleoni Numeri magici Spettroscopia
Modello a goccia
I nucleo si comporta come una goccia di liquido in cui sono
confinati I nucleoni
Energia di legame Reazione di fissione
Modello collettivo
Moti collettivi di vibrazione e rotazione di insiemi di nucleoni
Forme dei nuclei e spettroscopia
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Gli ordini di grandezza delle dimensioni
da esplorare
10
La diffusione di elettroni su nuclei in funzione dell’energia
I nucleoni sono oggetti composti di quarks e gluoni
Basse energie Fisica del nucleo e delle reazioni nucleari
Alte energie
Fisica dei Nucleoni e della Materia nucleare
11
12
La Fisica Nucleare nel 2000
1 Fisica delle basse energie
Il nucleo com e insiem e di nucleoni
Spet t r oscopia Ast r of isic Nuclear e
2 Fisica delle alte e medie energie
St r ut t ur a degli adr oni
Le f asi dela m at er ia nuclear e
Il deconf inam ent o dei quar ks
3 Le applicazioni
Fisica m edica Pr oduzione diener gia
Sicur ezza Analisi m at er iali
13
Fisica delle basse energie
Il nucleo come un insieme di nucleoni
Nuclei ed Astrofisica Nucleare
Quale e’ la natura della forz a nucleare che tiene insieme I nucleoni?
Quali sono le caratteristiche dei nuclei lontani dalla valle di stabilita’?
Quale e’ il limite di stabilita’?
Quale e’ la natura delle stelle di neutroni e della materia nucleare
densa?
Quale e’l’origine degli elementi nel cosmo?
Quali sono le le reaz ioni nucleari che dominano il comportamento delle
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stelle e delle loro esplosioni?
Alcuni temi della ricerca nucleare a basse energie
Proprieta’ dei nuclei
come insieme di nucleoni
Passaggio da materia liquida a gassosa
Densita’ nucleare
Fenomeni collettivi nei nuclei
Stati rotazionali e vibrazionali
Nuclei con alone
Nuclei superpesanti
15
16
I temi di ricerca della Fisica Nucleare a basse energie
Spettroscopia e misure di interesse Astrofisico
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Astrofisica Nucleare
Capire I processi nucleari nelle
condizioni estreme di T e p delle stelle
Il campo richiede grande collaborazione tra fisici nucleari
ed astrofisici Teorici e sperimentali
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Implicazioni in Astrofisica
10 –6 sec 10 –4 sec
> 1012 K
1012 K
3 min
1012 K
400,000yr
400,000K
3.108yr
50-3 K
15 .109yr
3K
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Astrofisica in lab sotterranei
Misura di reazioni nucleari
alle temperature delle stelle
Difficili perche’ estremamente improbabili causa
la repulsione coulombiana. Occorre schermarsi dai raggi cosmici
LUNA al Gran Sasso
20
H burning
CNO cycle
pp chain
12
p + p → d + e+ + ν e
13.8 %
He +3He → α + 2p
3
Be+e-→ 7Li + γ +νe
Li + p → α + α
Be + p → 8B + γ
N
13
C
p,γ
β+
0.02 %
13
β-
N
He +4He → 7Be + γ
13.78 %
7
15
3
7
C
p,α
d + p → 3He + γ
84.7 %
p,γ
15
14
7
O
p,γ
N
B→ 2α + e++ νe
8
4p → 4He + 2e+ + 2νe + 26.73 MeV
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FISICA NUCLEARE DELLE ALTE ENERGIE
QCD E STRUTTURA DEGLI ADRONI
Quale e’ la struttura degli adroni?
Dalla struttura degli adroni alle fasi della
materia nucleare
Quali sono le fasi della materia in interazione
forte?
Quale ruolo giocano nel cosmo?
Quale e’ la struttura dei nucleoni?
Quali regole governano la transizione da quarks
e gluoni a nucleoni ed adroni ?
Quale e’ il ruolo dei quarks e dei gluoni nei
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nuclei?
Un esempio: lo st udio dell’origine dello SPIN dei nucleoni
Occorrono acceleratori di elettroni con energia superiore al
GeV
23
10 –6 sec
10 –4 sec
3 min
15 Mil Anni
24
LHC al CERN Fasci ruotanti in senso opposto si urtano in alcuni punti
FASCI di p ad energia max di 7 Tev ciascuno
FASCI di IONI Pb a energia max di 2.75 TeV per nucleone
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I magneti di LHc sono superconduttori
B=9 Tesla
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Rivelatori di grandi dimensioni assai sofisticati con sistemi informatici
di raccolta ed analisi dati innovativi
Gruppi di ricerca con migliaia di ricercatori
46m
Φ=25m
H=4T
Φ=15m
L=21.6m
26m
Φ=16m
21X10X13
m3
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Attualmente TUTTI i responsabili degli esperimenti sono italiani
La Fisica degli ioni ad LHC
Studio della transizione di fase da adroni a quarks e gluoni liberi
Materia adronica
Quarks u ,d confinati
Protone 2u1d
Neutrone 1u2d
3
ε(nucleo) =0.15 GeV/fm
ε(nucleone) =0.3 GeV/fm3
u
m=m
d
300 MeV
QGP
Ad altissime T o p Transizione a
Stato primordiale della materia da 10-12s a 10μs
ε>1-2 GeV/fm
28
Produzione e studio della materia deconfinata
29
Solenoide 0.5 T
Dipolo 0.7 T Dimenasione 16X26 m Peso 10000t
30
Eventi in ALICE nel rivelatore centrale
Circa 3000 particelle misurate ciascuna in molti punti
della loro traiettoria
31
Prodotti e studiati eventi con 2,7 TeV/nucleone
Risultati
Rivelatori OK
Analizzati eventi con 3000/4000 particelle
3
ε >15 GeV/fm
50 volte la densità del centro di una stella di neutroni
40 miliardi tons/cm3
12 o
Temperatura > 4 10
K
> 200 000 volte la temperatura del centro del sole
Prodotto un Plasma di quark e gluoni liberi
Si comporta come un liquido quasi perfetto
3
-23
32
Applicazioni
Ener gia
Ads Tr asmutazione
Reattor i Fissione
Reattor i Fusione
mater iali
Tr attamento Scor ie
Scienza della Vita
mater iali
Diagnostica medica
Ter apia medica
Radiobiologia
Tr acciator i biomedici
Difesa
Riconoscimento ar mi
Sicur ezza
Pr olifer azione
Tr affico nuclear e
Riconoscimento
Valutazione r ischi
Analisi
Impiantazione ionica
Str uttur a mater iali
Geologia e clima
Ar te ed ar cheologia
Calcolo
33
Metodi di simulazione
Centro nazionale di adroterapia CNAO a Pavia
Fasci di p fino a 250 MeV e di C fino a 450 MeV/U
34
35
36
Datazione con
12
C
37
Conclusioni
1 0 0 anni dopo Ruther for d la Fisica Nuclear e e’ ancor a
ben viva
3
campi di inter esse
1 Fisica nuclear e delle basse ener gie
Str uttur a dei nuclei
Reazioni di inter esse astr ofisico
Equazione di stato della mater ia nuclear e
2 Fisica delle ener gie inter medie ed alte
Str uttur a dei nucleoni
Equazione di stato della mater ia adr onica
Deconfinamento
Mater ia Deconfinata
3 Applicazioni
38
I campi di Ricerca ed Applicazioni della Fisica Nucleare
39
Met odi e st r um ent i della Fisica Nuclear e ( e delle par t icelle)
St r et t a collabor azione t r a sper im ent ali e t eor ici
1) Acceler ator i
1) Rivelator i
Pr oduzione di f asci di par t icelle e ioni
con ener gia ed int ensit a’ cr escent i
a gas,scint illat or i,st at o solido ……
con uso di elet t r onica , m icr o
elet t r onica
e sist em i di r accolt a dat i sem pr e piu’
sof ist icat i
3 )Sistemi di calcolo Sim ulazione (Mont e Car lo) di event i
Analisi di dat i Pr oduzione di
40
m odelli
Tor ino nella Fisica Nuclear e
e delle par ticelle elementar i
Str etta collabor azione Univer sita’ INFN
Par tecipazione qualificata ad ALICE e CMS
Responsabile gener ale Alice
Responsabile Nazionale CMS
Lunga attivita’ nel campo della Fisica
nuclear e ad ener gie inter medie
Attivita’ teor ica di gr ande r ilievo in Fisica
dello SPIN e degli Ioni r elativistici
Fisica medica e di r icostr uzionedi
immagini
41
Grazie per l’attenzione
Il mio mail
Chiavassa@t o.infn.it
42
Numeri LHC
Cost i
Macchina 3200 M€
CALCOLO
ALICE 1.25 GB/ s
CMS 300 MB/ s
ALICE 100 M€ ATLAS 400 M€
CMS 375 M€ LHCB 50 M€
ATLAS 320 MB/ s
LHCB
50 MV/ s
Tot ale 15 10 6 GB/ anno
43
44
45
35 paesi
118 istituti
1300 ricercatori
46
L’ener gia di una par ticella utile e’ quella disponibile
nel centr o di massa delle par ticelle inter agenti
Ber saglio fisso
(sonda e
ber saglio di
massa m t )
In Lab V cm > 0
Collisionator i
( ur to fr ontale
di par ticelle di
ener gia E1 ed
E2
In Lab V cm = 0
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Nucleo f or m at o da nucleoni: pr ot oni e neut r oni
Pr ot one scoper t o 1919
Massa m c2 = 938 MeV
Neut r one scoper t o 1932
Massa m c2 = 939 MeV
1964 I nucleoni non sono par t icelle elem ent ar i
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In costruzione sorgenti di ioni radioattivi per studiare proprietà’
nucleari e reazioni lontani dalla valle di stabilita processi r
Laboratori sotterranei per misure di sezioni d’urto molto basse
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