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!