La Fisica NucleareMauro Taiuti

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• ...

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

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!

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

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

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

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)

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

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

CEBAF @ JEFFERSON LAB

E = 6 GeV

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

CERN

ATHENA

LUNA 50kV

LUNA 400kV

LNGS

LUNA

DESY

GSI

LNF

ESRF

LNS

PSI LNGS

LNL

GANIL

FRM-II

ELSA

CERN

COSY

Louvain

MAX-Lab

ORSAY

MAMI

KVI

GSI

LNGS

CERN

LNS

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

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

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”

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”

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

tem

pera

tura

densitàNUCLEO

LIQUIDOGAS

COESISTENZA DELLE DUE FASI

TEMPERATURA CRITICA

???

tem

pera

tura

densitàNUCLEO

LIQUIDOGAS

Calore/Massa

Tem

pera

tura

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

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

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

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?

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

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

• Ma cosa può succedere dentro il Nucleo Atomico?

tem

pera

tura

densitàNUCLEO

LIQUIDOGAS

Quark-GluonPlasma

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

t (fm/c)

proiettile

bersaglio

3020100condizioni iniziali

v ~ 0.95 ccompressioneρ ~ 2.5-3 ρ0

produzione particelle

espansioneframmentazioneraffreddamento

Au+Au at 2 AGeV

Cosmologia ed Astrofisica• Moltissimi aspetti del nostro Universo sono legati

alle Forze Nucleari. Per esempio:

– Sintesi degli Elementi

– Le Stelle e la loro evoluzione

densità

tem

pera

tura

STELLE A NEUTRONI

SN

Big Bang

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

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

4

• 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)

Buon Lavoro!