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La Fisica NucleareMauro Taiuti
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Perchè la Fisica Nucleare?• Applicazioni medicali (diagnostica e terapia)• Astrofisica• Cosmogenesi• Beni Culturali (datazione ed analisi non distruttiva)• Ecologia (Radon ambientale, ecosistemi)• Geologia (datazione rocce)• Produzione di Energia• ...
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Un Quesito “Difficile”• Conoscendo la potenza emessa dal
Sole e la sua massa si può stimare da quanto tempo è in funzione?
• Si, se si conosce il meccanismo di produzione di energia!
• Nel 1854 H. Von Helmholtz sosteneva che il Sole convertisse energia gravitazionale in calore
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Una Soluzione Improbabile• Nel 1862 W.Thompson (Lord Kelvin) calcolò che il
Sole avrebbe convertito l’energia chimica in calore in 3000 anni
• Successivamente abbracciò l’ipotesi gravitazionale ed ipotizzando la cattura di meteoriti prolungò l’etàdel Sole a 20 milioni di anni
• Contemporaneamente però Darwin stimava in 300 milioni di anni il tempo necessario per la deposizione degli strati geologici!
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Alchimia o Scienza?• All’epoca di Newton (forse
ancora adesso) l’Astrologia e l’Alchimia erano considerate scienze ( )
• Si ricercava la pietra filosofale che “permetteva” di trasformare gli elementi in oro (☺)
• Si calcolava l’influenza degli astri sul destino degli uomini
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La Scoperta del Nucleo Atomico• Nel 1910 Rutherford
scopre l’esistenza del Nucleo Atomico
• Attività sperimentale condotta indirizzando particelle α su un bersaglio di oro
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Il Nucleo Atomico• La massa è concentrata all’interno degli atomi in
volumi di qualche fm3 (1fm =10-15 m)
• Raggio Nucleare ~ 10-14 m• Raggio Atomico ~ 10-10 m
• Il Nucleo Atomico è costituito da protoni e neutroni
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Le Forze Nucleari• I protoni hanno carica elettrica Q=+1.6x10-19 C e si
respingono per la forza di Coulomb
• I neutroni hanno carica elettrica Q=0 e non sono soggetti alla forza di Coulomb
• Protoni e neutroni stanno assieme grazie alle forze nucleari (raggio di azione ~ 10-15 m)
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Nucleoni e Forze
• L’equilibro tra le forze in gioco (primariamente nucleari ed elettromagnetiche) determinano la composizione dei nuclei
• Sono responsabili di tutti gli isotopi dal deuterio alla ... stella a neutroni
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La Ricerca Moderna• Gli strumenti di ricerca si sono raffinati ma la logica
di misura è rimasta la stessa
• Si produce un fascio di particelle o onde elettromagnetiche (raggi gamma) di energia determinata (definisce il potere risolutivo)
• Si rivelano i “prodotti di reazione” con strumenti ad altissima risoluzione ed efficenza
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CEBAF @ JEFFERSON LAB
E = 6 GeV
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Drift chambersargon/CO2 gas, 35,000 cells
Electromagnetic calorimetersLead/scintillator, 1296 PMTs
Torus magnet6 superconducting coils
Gas Cherenkov counterse/p separation, 216 PMTs
Time-of-flight countersplastic scintillators, 684 PMTs
Large angle calorimetersLead/scintillator, 512 PMTs
CLAS
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CERN
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ATHENA
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LUNA 50kV
LUNA 400kV
LNGS
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LUNA
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DESY
GSI
LNF
ESRF
LNS
PSI LNGS
LNL
GANIL
FRM-II
ELSA
CERN
COSY
Louvain
MAX-Lab
ORSAY
MAMI
KVI
GSI
LNGS
CERN
LNS
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Aspetti del Nucleo Atomico• Quanti tipi di nucleo atomico esistono attualmente o
sono stati disponibili in natura?
• I “nuovi alchimisti” cercano di conglobare due nuclei pesanti per ottenerne di pesantissimi (Super-Heavy Nuclei)
• A volte funziona
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Aspetti del Nucleo Atomico• Le proprietà dipendono dal numero di nucleoni
costituenti
• Nuclei leggeri permettono di studiare le forze a due corpi ed il comportamento dei singoli nucleoni
• Nuclei pesanti permettono di studiare gli effetti collettivi e statistici
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Aspetti del Nucleo Atomico
• Usando elettroni di alta energia è possibile studiare la dislocazione ed il movimento delle cariche elettriche (protoni, pioni,...) all’interno dei nuclei
• Le informazioni fisiche si ottengono dai “fattori di forma” e dalle “funzioni di struttura”
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Aspetti del Nucleo Atomico
• Il nucleo atomico ha proprietà elastiche
• Con urti nucleo-nucleo si studiano le proprietàdinamiche dei nuclei in condizioni “non a riposo”
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La Termodinamica Nucleare• E’ possibile definire una
temperatura del sistema (in meccanica statistica esiste un legame tra energia cinetica media e temperatura)
• E’ possibile disegnare un diagramma di stato
E∝T2
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tem
pera
tura
densitàNUCLEO
LIQUIDOGAS
COESISTENZA DELLE DUE FASI
TEMPERATURA CRITICA
???
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tem
pera
tura
densitàNUCLEO
LIQUIDOGAS
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Calore/Massa
Tem
pera
tura
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C’è Qualcosa Più Piccolo?• Nel 1955 viene
dimostrato che il protone non è puntiforme
• Attività sperimentale condotta indirizzando elettroni di alta energia su un bersaglio di idrogeno
R.Hofstadter, R.W.McAllisterPhys.Rev.98(1955)217
NOBEL - 1961
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I Partoni• Successivamente
utilizzando la diffusione inelastica di elettroni di alta energia è stato possibile evidenziare che il protone si comporta come se al suo interno ci sono componenti puntiformi su cui l’elettrone diffonde elasticamente
J.Friedman, H.Kendall, R.Taylor
NOBEL - 1990
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La QuantoCromoDinamica• Infine lo sviluppo di una nuova
teoria delle interazioni nucleari ha permesso di mettere al loro posti molti tasselli della fenomenologia delle particelle elementari
• Fortunatamente non tutti!
D.Gross, D.Politzer, F.Wilzcek
NOBEL - 2004
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Quarks e Gluoni• I nuovi costituenti elementari
(quarks) sono sensibili alla Forza di Colore (QCD)
• L’intensità è tale da confinare i quark all’interno (quark liberi non sono mai stati osservati)
• Come è possibile studiarli?
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Un Sistema “Semplice”• Quanti quarks ci sono in un
protone?
• CLAS ha fornito l’indicazione che a bassa energia si comportano come se ce ne fossero tre con massa M/3
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Tomografia nucleare• Un progetto ambizioso della fisica nucleare delle
energie intermedie (es. al TJNAF o al GSI) è la ricostruzione 3-dimensionale del nucleone
Fattori di Forma →densità transversa di carica
Funzioni di Struttura →distribuzione longitudinaledi impulso
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• Ma cosa può succedere dentro il Nucleo Atomico?
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tem
pera
tura
densitàNUCLEO
LIQUIDOGAS
Quark-GluonPlasma
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Un Mondo “Colorato”• L’esperimento ALICE al CERN prevede di studiare
le collisioni di nuclei Pb-Pb relativistici (un programma simile verrà portato avanti al GSI)
• Le energie in gioco sono tali da compenetrare i nucleoni creando uno spazio dove i quarks sono liberi di muoversi
• Sarà quindi possibile ricreare in laboratorio le condizioni corrispondenti ad una frazione di secondo dalla nascita del nostro Universo
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t (fm/c)
proiettile
bersaglio
3020100condizioni iniziali
v ~ 0.95 ccompressioneρ ~ 2.5-3 ρ0
produzione particelle
espansioneframmentazioneraffreddamento
Au+Au at 2 AGeV
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Cosmologia ed Astrofisica• Moltissimi aspetti del nostro Universo sono legati
alle Forze Nucleari. Per esempio:
– Sintesi degli Elementi
– Le Stelle e la loro evoluzione
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densità
tem
pera
tura
STELLE A NEUTRONI
SN
Big Bang
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Risposta al Quesito Iniziale• L’energia prodotta dal Sole proviene dalla fusione
di 4 protoni in un nucleo di elio!
• La fusione può avvenire mediante un catalizzatore (ciclo CNO)
• E’ possibile riprodurre in laboratorio alcune condizioni dell’interno del Sole (es. LUNA al Gran Sasso)
12C 13Np,γ
β-
13C
14N
p,γ
15O
β+
15N
p,α
p,γ
CNO cycle
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A<60
Atomic number
rela
tive
abu
ndan
ce
M > 1.4 MLa stella esplode
(supernova)
M < 1.4 MLa stella abbandona
la sequenza principale(nana bianca/bruna)
Combustione H → He
1
Combustione He → C, O, Ne
2
3
Combustione C/O … Si → FeCombustione esplosiva
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• Esistono limiti alla ricerca in Fisica Nucleare?
• ATHENA al CERN è riuscito a realizzare un anti-atomo di Idrogeno
“…Il gioco della scienza è, in linea di principio, senza fine. Chi, un bel giorno, decide che le asserzioni scientifiche non hanno più bisogno di nessun controllo e si possono ritenere verificate definitivamente si ritira dal gioco…”
K. Popper, Logica della scoperta scientifica (§11)
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Buon Lavoro!