CFU
6
Durata
14 Settimane
Semestre DD
Primo
Introduzione, particelle e forze, diagrammi di Feynman. Variabili di Mandelstam, regola d'oro di Fermi, spazio delle fasi Lorentz-invariante, decadimenti a due corpi, sezione d'urto; (6 ore). Equazione di Klein-Gordon, equazione di Dirac, densità di probabilità e covarianza, soluzioni dell'equazioni di Dirac per un elettrone a riposo. Soluzioni generali dell'equazione di Dirac, Antiparticelle e loro spinori, normalizzazione della funzione d'onda, Spin, Elicità. Interazione tramite scambio di particella, elemento di matrice 2->2 time-ordered, Diagrammi di Feynman, esempi ed algebra di matrici (6 ore). Operatore di Parità, raggio delle forze, potenziale di Yukawa, Elemento di matrice QED per lo scattering elettrone-tau, Regole di Feynman per la QED. QED come teoria perturbativa, Somme di spin nel processo e+e- in mu+mu-, la sezione d'urto del processo e+e- in mu+mu- e la sua forma Lorentz-invariante, esempi di applicazione delle regole di Feynman. Operatore di Chiralità, Coniugazione di carica (4 ore). Scattering inelastico e-p ad alto Q2 (DIS), scaling di Bjorken e relazione di Callan-Gross, Scattering elettrone-quark. Modello a quark-partoni, funzioni di densità dei partoni, quark di valenza e di mare, scattering elettrone-protone ad HERA. Simmetrie e leggi di conservazione, Simmetria di sapore SU(2), combinazioni di 2 e 3 quark in SU(2), Barioni e mesoni di quark leggeri (ud). Simmetria di sapore SU(3), matrici di Gell-Mann, Mesoni e Barioni di quark leggeri (ground state, uds), Massa degli adroni e constituent mass. Invarianza locale di gauge in QED e QCD, Colore in QCD, confinamento di colore, Funzioni d'onda del colore per Mesoni e Barioni, Gluoni, interazioni quark-gluone e gluone-gluone, Adronizzazione e jet, produzione adronica nelle collisioni e+e-. Costanti d'accoppiamento running in QED e QCD, libertà asintotica, Fattori di colore, Collisioni adroniche e Drell-Yan. Produzione di jet in collisioni adroniche (12 ore). Rapidità e pseudo-rapidità, processo Drell-Yan, Parita' negli elementi di matrice di QED e QCD, violazione di Parità nelle interazioni deboli. Struttura V-A dell'interazione debole, Proprietà chirali di V-A, Propagatore del bosone W, Teoria di Fermi, Elicità nel decadimento del pione ed evidenza di V-A, universalità leptonica nell'interazione elettrodebole. Scattering (Anti)neutrino-quark, sezioni d'urto neutrino-nucleone, Esperimento CDHS. Autostati di massa e di sapore del neutrino, oscillazioni di neutrino in 2 e 3 famiglie, Fenomenologia negli esperimenti di neutrino. Violazione di CP nel neutrino mixing, matrice PMNS, Esperimenti di oscillazione di neutrini e determinazione dei parametri PMNS e delle masse (10 ore). Mescolamento di quark nelle interazioni deboli, Angolo di Cabibbo e meccanismo GIM, matrice CKM e sue rappresentazioni. Il sistema di K neutri. Oscillazioni di K, Violazione di CP nelle oscillazioni e decadimenti. Oscillazioni di B e B_s, B factories. Larghezza di decadimento del bosone W e branching ratios. Struttura di gauge elettrodebole SU(2)_L, Corrente neutra, Unificazione elettrodebole, il bosone Z (6 ore). Risonanza Breit-Wigner, sezione d'urto di produzione di Z in collisioni e+e-, misure di massa e larghezza del bosone Z, Asimmetria FB di Z e weak mixing angle, il collider LEP, Massa e larghezza del bosone W. Velocità di decadimento del top quark, produzione di top ai collisionatori adronici, il bosone di Higgs e la sua scoperta (4 ore). NOTA: il numero di ore si riferisce alle ore di lezioni ed esercitazioni in classe.
OBIETTIVI FORMATIVI:
Il corso e' volto a fornire allo studente delle solide basi di fisica delle particelle elementari partendo dalle osservazioni sperimentali e con particolare attenzione ai temi di ricerca più attuali. Una trattazione semplificata dei grafici di Feynman dà allo studente lo strumento per svolgere semplici calcoli di sezioni d’'urto e di decadimenti. Vengono presentati i meccanismi di produzione e di decadimento delle particelle W, Z, Higgs e le conseguenze sperimentali. Il fenomeno delle oscillazioni e della violazione della simmetria CP in vari tipi di particelle è trattato quantitativamente. Si affronta inoltre il fenomeno dell’'oscillazione dei neutrini.
CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
Al termine del corso lo studente deve avere una comprensione della struttura formale dell'elettrodinamica e della cromodinamica quantistica, della teoria elettrodebole e le relative problematiche sperimentali. Deve conoscere la formulazione delle regole di Feynmann per il calcolo di sezioni d'urto e decadimenti al leading order. Deve inoltre avere una conoscenza di base circa il ruolo e dell'importanza dei test di precisione del Modello Standard, delle oscillazioni di neutrini e delle misure di violazione di CP.
CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE:
Al termine del corso lo studente sara' in grado di esprimere gli elementi necessari per il calcolo di processi mediati dalle interazioni forti ed elettrodeboli, riconoscere il livello di approssimazione e svolgere semplici calcoli di sezioni d'urto e decadimenti di particelle. Sara' inoltre in grado di collegare le formulazioni teoriche con le misurazioni sperimentali anche di ultima generazione.
AUTONOMIA DI GIUDIZIO:
Lo studente deve essere in grado di effettuare autonomamente ricerche bibliografiche collegando le attivita' sperimentali con le problematiche teoriche. Deve essere inoltre in grado di riconoscere e giudicare il ruolo delle misure sperimentali attuali e future rispetto all'esigenza di nuove teorie oltre il modello standard.
ABILITÀ COMUNICATIVE:
Lo studente deve essere in grado di illustrare in modo analitico il ruolo che le osservazioni sperimentali passate hanno avuto nella formulazione della teoria del Modello Standard, precisando i limiti osservativi. Deve essere in grado di riassumere i risultati delle ricerche sperimentali moderne, in maniera quantitativa, utilizzando gli elementi caratterizzanti del Modello Standard.
CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO:
Al termine del corso, lo studente deve essere in grado di orientarsi in maniera autonoma verso lo studio approfondito di nuovi campi. Deve acquisire la capacità di proseguire gli studi in un dottorato di ricerca o altre scuole di specializzazione.