ECTS - University of Pisa
Conoscenza quantitativa di base della fisica delle particelle elementari e delle loro interazioni, dal punto di vista fenomenologico e sperimentale. Conoscenza dello sviluppo temporale delle principale scoperte.
Basic quantitative knowledge of the the physics of elementary particles and of their interactions, from the phenomenological and experimental point of view. Knowledge of the time development of the main discoveries.
La verifica delle conoscenze acquisite avviene attraverso un colloquio di esame.
Acquired knowledge is verified through an oral exam.
Valutazione quantitativa di processi di scattering e decadimento di particelle elementari. Progettazione concettuale di esperimenti di fisica delle particelle
Quantitative evaluation of scattering and decay processes of elementary particle. Conceptual design of particle physics experiments.
La verifica delle capacità acquisite avviene attraverso le discussioni degli esercizi proposti per casa e durante le esercitazioni e tramite un esame scritto che consiste nella risoluzione di alcuni esercizi.
Acquired skills are verified through the discussion of homework and classroom assignments and through a written exam consisting in the resolution of a few exercises.
Conoscenze di elettromagnetismo avanzato, meccanica quantistica non relativistica e relatività ristretta. Competenze di calcolo differenziale, algebra lineare, calcolo con matrici, analisi nel piano complesso.
La frequenza al corso presuppone il completamento della laurea triennale, e in particolare il superamento degli esami di Fisica 3 e Meccanica Quantistica.
Advanced electromagnetism, non relativistic quantum mechanics and special relativity. Calculus, linear algebra, matrix calculation, complex plan analysis.
This course assumes the completion of the bachelor degree, and with particular regard of the Physics 3 and Quantum mechancs courses.
Il corso è organizzato con lezioni ed esercitazioni in aula con frequenza fortemente consigliata.
The course is organized with classroom lessons and exercise sessions, with strongly adviced in person attendance.
Modulo 1: Metodologie di base (12)
Richiami di cinematica relativistica. Notazione per i quadri-vettori. Invarianti relativistici di Mandelstam. Unità di misura naturali.
Le equazioni relativistiche di Klein-Gordon e di Dirac. Classificazione delle particelle elementari: fermioni e bosoni; particelle ed antiparticelle [Esperimento di Anderson: scoperta del positrone]
Metodi sperimentali della fisica delle particelle. Sorgenti: raggi cosmici, reattori ed isotopi, acceleratori. Fasci estratti e collisori. Tecniche di rivelazione. [Esempi di acceleratori e rivelatori]
Decadimenti e collisioni: vita media, larghezza, sezione d'urto; matrice di transizione, spazio delle fasi, regola d'oro di Fermi.
Diagrammi di Feynman e metodi di calcolo.
Modulo 2: Introduzione storica e fenomenologica (6)
Breve storia della scoperta delle particelle elementari e della costruzione del modello standard.
Fotone, mesoni, antiparticelle, barioni, leptoni, particelle strane, quarks e gluoni, i bosoni vettori intermedi, il bosone di Higgs.
Principali caratteristiche della fenomenologia delle interazioni fondamentali e del modello standard.
Modulo 3: Simmetrie e leggi di conservazione. (12)
Simmetrie, leggi di conservazione, rottura della simmetria.
Simmetrie discrete C,P e T. Enunciato del Teorema CPT.
Coniugazione di carica intrinseca C. C del fotone e pi0
Parità spaziale e parità per scambio. Funzioni d'onda simmetriche ed antisimmetriche for bosoni e fermioni. Principio di esclusione di Pauli.
Parità intrinseca delle particelle (P). Parità del pione.
[Esperimento di Chinowsky e Steinberger (1954) sulla cattura di pioni lenti da deuterio]
Simmetrie continue, e leggi di conservazione. Enunciato teorema di Noether.
Uso della teoria dei gruppi e loro rappresentazioni. Momenti angolari e regole di composizione.
Simmetria di isospin. Doppietti (nucleone) e tripletti (pione).
Modulo 4: Elettrodinamica (6)
Conservazione della carica e simmetria di gauge
Interazione come scambio di particelle. Particelle virtuali. [Esperimento di Lamb e Retherford]
Diagrammi Feynman per la QED
Annichilazione e+e- in una coppia di mu.
Positronio, struttura dei livelli, canali di decadimento.
Evoluzione di alpha.
Modulo 5: Gli adroni e le interazioni forti (12)
Risonanze adroniche. I barioni 3/2+. Il plot di Dalitz.
Momento angolare e parità degli stati finali a due e tre pioni carichi o neutri. Mesoni vettoriali e pseudo-scalari. [Il puzzle theta-tau]
Produzione associata K0 – Lambda e la scoperta della stranezza. Simmetria SU(3) di flavor.
Il modello a quark, mesoni e barioni. Numero barionico. Organizzazione in ottetti e decupletti.
Produzione adronica ai collisionatori e+e-. Rapporto R tra processi adronici coppie di mu. Evidenza sperimentali del colore.
La scoperta della J/psi e dei suoi stati eccitati. [Esperimenti di Richter e Ting e la november revolution]
Distribuzione angolare dei jet e spin dei quark. Eventi a tre jet adronici ed evidenza dei gluoni.
Misure di alfa_s e dipendenza dall' energia. La regola di selezione O.Z.I.
La terza famiglia ed il completamento del modello a quark.
Quarkonio.
Modulo 6: Le interazioni deboli (12)
Il decadimento del muone. Processo a 4 fermioni e costante di Fermi.
Il decadimento del neutrone e del pione.
I neutrini e la conservazione del flavor leptonico. [Esperimento nu_mu]
Limiti sulle masse dei neutrini. [Esp...]
Violazione della parità nelle interazioni deboli. Elicità e chiralità. Violazione della coniugazione particella-antiparticella (CP)
(Mi piacerebbe ma mi sembra troppa roba ?) Il sistema del K neutro, autostati di massa ed autostati di CP. Oscillazioni K-Kbar. [Esperimento di Cronin e Fitch (1964) sulla misura della violazione di CP]
Le correnti deboli cariche dei quark e l'angolo di Cabibbo.
Il charm ed il meccanismo GIM.
La matrice CKM di mescolamento dei quark.
Module 1: Basic methodology (12)
Reminder of relativistic kinematics. Notation for 4-vectors. Mandelstam relativistic invariants. Natural units
Experimental methods in particle physics. Sources: cosmic rays, reactors and isotopes, accelerators. Extracted beams and colliders
Summary of radiation detection techniques and detectors.
Scattering and decay. Mean life, width, cross section. Lorentz-invariant phase space. Transition matrix. Fermi golden rule.
Relativistic equations: Klein-Gordon and Dirac. Classification of elementari particles: spin, fermions and bosons. Particles and anti-particles. [Anderson experiment and the discovery of the positron]
Concept of Feynman diagrams and calculation methods
Module 2: Historical and phenomenological introduction (6)
Brief history of the discovery of elementary particles and construction of the Standar Model
Photon, mesons, antiparticles, barions, leptons, strange particles, quarks and gluons, intermediate vector bosons, Higgs bosons.
Main characteristics of the fundamental interactions and standard model phenomenology.
Module 3: Symmetries and conservation laws. (12)
Simmetries, invariance, conservation laws, symmetry breaking.
Discrete symmetries, C,P e T. Statement of CPT theorem.
Intrinsic charge conjugation (C). C for photon and π0.
Space and exchange parity. Symmetric and antisymmetric wave function. Pauli exclusion principle.
Intrinsic parity of particles (P). Parity of the pion.[Chinowsky and Steinberger experiment(1954) on slow pion capture on deuteron]
Continuous symmetries and conservation laws. Statement of Noether theorem.
Use of group theory and their representation. Angular momentum and composition rules.
Isospin symmetry. Doublets (nucleon) and triplets (pion). Flavor SU(2) symmetry and its breaking.
Module 4: Electrodynamics (6)
Charge conservaton and gauge symmetry. [Photon mass]
Interaction as exchange of mediator particle. [Lamb and Retherford experiment]
QED Feynman diagrams.
e+e- anihilation in a muon pair.
Positronium, level structure, decay channels.
Alpha QED evolution with energy.
Module 5: Hadrons and strong interactions (12)
Hadronic resonances. The 3/2+ barions. Dalitz plot. G-parity.
Angular momentum and parity of final states of two or three neutral or charged pions. Vector and pseudo-scalar mesons. Rho decay in two charged and neutral pions. [The theta-tay puzzle]
Associated production K0 – Lambda and strangeness discovery. Approximate flavor SU(3) symmetry.
Quark model, mesons and barions. Barionic number. Organization in octets and decuplets. [Pointlike nature of quarks in Deep Inelastic Scattering]
Hadronic production at e+e- colliders. Ratio R of hadronic production to muon pairs. Experimental evidence of color.
Discovery of the J/psi (charm) and of its excited states. [Richter and Ting experiments and the november revolution]
Angular distribution of jets and quark spin. Events with tre hadronic jets and evidence of gluon.
Measurement of alfa_s and energy dependance. OZI selection rule.
The third family and the completion of the quark model [Lederman experiment]
Quarkonium.
Feynman diagrams for hadronic processes.
Module 6: Weak interactions (12)
Muon decay. Fermi constant and 4-fermion process. Nuetron and pion decay.
Neutrinos and conservation of leptonic flavor. Dirac and Majorana neutrino. Neutrinoless double beta decay [Experiment on muon neutrino flavor]
Limits on neutrino masses. [Measurement with tritium]
Parity violation in weak interactions. Helicity and chirality. Particle-antiparticle conjugation violation (CP) [Goldhaber experiment]
Neutral K system, mass and CP eigenstates. K-Kbar oscillations. [Cronin and Fitch experiment on CP violation measurement]
Weak charged currents in quarks and the Cabibbo angle.
Charm and GIM mechanism.
Absence of Flavor Changing Neutral Currents (FCNC)
CKM matrix and quark mixing
Feynman diagrams for weak processes.
Testi completi:
A. Bettini, Introduction to Elementary Particle Physics, Cambridge U.P. (2014),
D. Griffiths, Introduction to Elementary Particles, Wiley (2008),
D.H. Perkins, Introduction to High Energy Physics, Cambridge U.P. (2000),
D. Thomson, Modern Particle Physics, Cambridge U.P. (2013).
Per consultazione:
H.J. Lipkin, Lie Groups for Pedestrians, Dover (2002)
Cahn, Goldhaber - The experimental foundations of Particle Physics - Cambridge U.P. (2009).
M.S. Sozzi - Discrete symmetries and CP Violation - Oxford G.T. (2008).
Povh, Rith, Scholz, Zetsche - Particles and nuclei - Springer 6-th Ed. (2015) o Boringhieri (2002)
G.F. Giudice Odissea nello zeptospazio Springer (2010)
Sull'interazione radiazione-materia ed i rivelatori di particelle
D. Green - The physics of particle detectors - Cambridge U.P. (2000),
C. Grupen - Particle detectors - Cambridge U.P. (1996),
W.R. Leo -Techniques for nuclear and particle physics experiments - Springer-Verlag (1994).
J.D. Jackson - Classical Electrodynamics - Wiley (1998),
T. Ferbel (ed.) - Experimental techniques in HEP - Addison Wesley (1987),
K. Kleinknecht - Detectors for particle radiation - Cambridge U.P. (1998).
Risorsa essenziale per tutti i dati sperimentali: Particle Data Group - Review of particle physics - http://pdg.lbl.gov/
Complete textbooks:
A. Bettini - Introduction to Elementary Particle Physics - Cambridge U.P. (2012),
D. Griffiths - Introduction to elementary particles - Wiley (2008),
D.H. Perkins - Introduction to High Energy Physics -- Cambridge U.P. (2000),
D. Thomson, Modern Particle Physics, Cambridge U.P. (2013).
Further reading:
H.J. Lipkin, Lie Groups for Pedestrians, Dover (2002)
Cahn, Goldhaber - The experimental foundations of Particle Physics - Cambridge U.P. (2009).
M.S. Sozzi - Discrete symmetries and CP Violation - Oxford G.T. (2008).
Povh, Rith, Scholz, Zetsche - Particles and nuclei - Springer 6-th Ed. (2008).
On the interactions of the radiation with matter and particle detectors:
D. Green - The physics of particle detectors - Cambridge U.P. (2000),
C. Grupen - Particle detectors - Cambridge U.P. (1996),
W.R. Leo -Techniques for nuclear and particle physics experiments - Springer-Verlag (1994).
J.D. Jackson - Classical Electrodynamics - Wiley (1998),
T. Ferbel (ed.) - Experimental techniques in HEP - Addison Wesley (1987),
K. Kleinknecht - Detectors for particle radiation - Cambridge U.P. (1998).
Essential general reference: Particle Data Group - Review of particle physics - pdg.lbl.gov
L'esame finale è strutturato con una prova scritta ed una prova orale.
The final exam consists of a written test and an oral examination.
At the link: https://elearning.df.unipi.it/course/view.php?id=312 interested students will find texts and solutions of the previous years written tests and various additional scientific and historical papers and references.
