Physics - Fisica

PAOLO GAUZZI
PAOLO GAUZZI

OBIETTIVI GENERALI:
Il corso tratterà la fisica dei rivelatori e degli acceleratori di particelle. Introdurrà le tecniche sperimentali utilizzate in fisica nucleare, sub-nucleare e nella fisica applicata, e descriverà il layout e la funzionalità degli esperimenti moderni. Verranno trattati anche la storia, i principi di funzionamento dei moderni acceleratori di particelle e le loro applicazioni nella fisica nucleare, subnucleare e medica.

Mediante lezioni in aula, seminari dedicati tenuti da esperti ed esercitazioni hands-on, il corso Detectors and Accelerators in Particle Physics si propone:
- di approfondire la conoscenza delle interazioni delle particelle elementari con la materia;
- di analizzare il funzionamento dei vari rivelatori usati per la rivelazione delle particelle elementari in fisica nucleare e subnucleare;
- di esaminare alcuni esperimenti attuali di maggior interesse;
- di fornire un’introduzione alla fisica degli acceleratori di particelle presentando anche progetti futuri;
- di insegnare a progettare e simulare semplici setup sperimentali utilizzando la libreria software Geant4.

Alla fine del corso, gli studenti avranno sviluppato familiarità con i moderni metodi di rivelazione e accelerazione di particelle. Avranno acquisito le basi per comprendere le motivazioni e il funzionamento delle varie parti di un esperimento di fisica delle alte energie o strumentazione per il controllo dei fasci nei laboratori di fisica medica. Ciò comprende la capacità di dimensionare e selezionare i rivelatori più adatti agli scopi degli esperimenti da esaminare o da progettare.
Sapranno descrivere misure di ionizzazione, posizione, energia, tempo, e quantità di moto delle particelle, nonché identificarne la tipologia. Svilupperanno competenza nell’estrarre in modo rapido e critico informazioni da libri e pubblicazioni specialistiche nel campo dei rivelatori e acceleratori.
OBIETTIVI SPECIFICI:
A - Conoscenza e capacità di comprensione
OF 1) Conoscere i fondamenti di fisica dei rivelatori di particelle
OF 2) Conoscere i fondamenti della fisica degli acceleratori di particelle
OF 3) Comprendere il linguaggio della fisica dei rivelatori e degli acceleratori di particelle
B – Capacità applicative
OF 4) Capacità di progettare, dimensionare e scegliere i rivelatori adatti per uno specifico esperimento di fisica delle particelle
OF 5) Capacità di realizzare un semplice setup di simulazione con Geant4 di un rivelatore di particelle
C - Autonomia di giudizio
OF 6) Essere in grado di analizzare e valutare le prestazioni di un rivelatoreper la fisica delle paricelle
OF 7) Essere in grado di analizzare e valutare le prestazioni di un acceleratore di particelle
D – Abilità nella comunicazione
OF 8) Essere in grado di comunicare con chiarezza il funzionamento e proprietà di un rivelatore di particelle e di un acceleratore di particelle, e la loro applicabilità in contesti realistici
OF 9) Essere in grado di motivare le scelte architetturali alla base del Progetto di uno specifico rivelatore o acceleratore di particelle
E - Capacità di apprendere
OF 10) Essere in grado di apprendere tecniche alternative e più complesse
OF 11) Essere in grado di implementare tecniche esistenti in maniera efficiente, robusta e affidabile

Utili: aver seguito corsi di laboratorio di fisica, programmazione (C/C++/python)
Importanti: nozioni di base di statistica e teoria della probabilità
Indispensabili: nozioni fondamentali in fisica nucleare e sub-nucleare forniti nei corsi della laurea triennale

Introduzione, sorgenti di radiazione, fisica della rivelazione di particelle
Interazione particelle con la materia
Rivelatori di particelle: proprietà generali
Rivelatori di fotoni
Scintillatori organici e inorganici
Cherenkov detectors: PID/TOF
Calorimetri elettromagnetici e adronici
Rivelatori a gas
Rivelatori a Semiconduttore
Elettronica per rivelatori

Introduzione agli acceleratori di particelle: evoluzione, applicazioni moderne, accelerazione di particelle
Beam dynamics: Moto trasversale, imperfezioni nel reticolo e effetti off-momentum
Beam dynamics: Moto Longitudinale, focheggiamento forte, radiazione di sincrotrone
Vari seminari di approfondimento su argomenti avanzati saranno tenuti durante il corso

Slides preparate per le lezioni del corso e documentazione suggerita durante le lezioni
Particle Data Group (Experimental Methods section), Phys. Rev. D 98, 030001 (2018) and 2019 update: http://pdg.lbl.gov
G.F. Knoll - Radiation Detection and Measurement, Wiley 2010
W.R.Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer
M. Livan and R. Wigmans: Calorimetry for Collider Physics, an Introduction, Springer
K. Wille, The Physics of Particle Accelerators, Oxford

Il corso si svolge con lezioni frontali integrate da proiezioni di slides ed esercitazioni in aula atte a fornire conoscenze avanzate su rivelatori di particelle e acceleratori.

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria ma è fortemente consigliata.

Per superare l'esame bisogna aver superato una prova scritta e un progetto individuale assegnato a fine corso e da svolgere a casa.

Per essere superata la prova scritta deve ricevere un voto >= 15/30, e il progetto individuale un voto >= 18/30. Il voto finale è dato dalla media tra il voto della prova scritta, e il voto del progetto individuale incrementata del 5%. Il voto dovrà essere >= 18/30 per poter superare l'esame. Lo studente potrà accettare il voto, che verrà quindi verbalizzato nell'appello d'esame in corso, oppure potrà chiedere di sostenere un colloquio orale, che coprirà l'intero programma del corso, al fine di migliorare il voto stesso.

Per conseguire un punteggio pari a 30/30 e lode, lo studente deve dimostrare di aver acquisito una conoscenza eccellente degli argomenti trattati nel corso.
Nella valutazione dell'esame la determinazione del voto finale tiene conto dei seguenti elementi:
1. Prova scritta 50%
basata sulla risoluzione di semplici problemi di interazione radiazione con la materia, rivelatori di particelle e acceleratori di particelle
Nella valutazione si terrà conto di:
- la correttezza dei concetti esposti;
- la chiarezza ed il rigore espositivo nella presentazione sull'approfondimento;
- la capacità di ragionamento sulle domande di chiarimento degli esaminatori;
- le attitudini dello studente a comprendere la scelta dei rivelatori con riguardo alle loro caratteristiche e ai fenomeni da osservare.
2. Progetto individuale 50%
Il progetto sarà dimensionato in modo tale da richiede al massimo 1 settimana di lavoro per essere completato e documentato.
Nella valutazione si terrà conto di:
- correttezza dei concetti esposti;
- chiarezza e rigore espositivo;
- capacità di elaborare i concetti appresi