HIGH ENERGY NUCLEAR PHYSICS

Apprendere le principali metodologie sperimentali per l’analisi dei dati da esperimenti di fisica nucleare.

In riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

Conoscenza e capacità di comprensione:

• Capacità di ragionamento induttivo e deduttivo.
• Capacità di apprendere e valutare i risultati sperimentali nel campo della fisica nucleare tramite la lettura di articoli specialistici
• Capacità di impostare un problema utilizzando opportune relazioni fra grandezze fisiche (di tipo algebrico, integrale o differenziale) e di risolverlo con metodi analitici o numerici.
• Capacità di effettuare l'analisi statistica dei dati.
• Capacità di effettuare sessioni di analisi di dati reali estratti da esperimenti di fisica nucleare

Capacità di applicare conoscenza:

• Capacità di applicare le conoscenze acquisite per la descrizione dei fenomeni fisici utilizzando con rigore il metodo scientifico.
• Capacità di valutare le performance di esperimenti nel campo della fisica nucleare ed effettuare l'analisi dei dati sperimentali
• Capacità di effettuare calcoli numerici e di simulazione

Autonomia di giudizio:

• Capacità di ragionamento critico.
• Capacità di individuare i metodi più appropriati per analizzare criticamente, interpretare ed elaborare i dati sperimentali.
• Capacità di individuare le previsioni di una teoria o di un modello.
• Capacità di valutare l'accuratezza e l'importanza delle misure esistenti in letteratura
• Capcità di valutare la bontà e i limiti del confronto tra dati sperimentali e modelli teorici

Abilità comunicative:

• Capacità di esporre oralmente, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.
• Capacità di descrivere in forma scritta, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.

1) Lezioni in aula

2) Esercitazioni numeriche

3) Sessioni di analisi dati e simulazioni

Corsi introduttivi di Fisica Nucleare

Conoscenze base di statistica ed elaborazione dei dati

Conoscenze base di informatica

Obbligatoria

Introduction

Energetic regimes for nuclear collisions – Basic phenomenology for heavy ion nuclear collisions – The present status of the experimental facilities in high energy nuclear physics

Reconstruction of collision events

Kinematics of a nuclear collision – The low energy and light particle case – Three-body processes – Multibody collisions – Study of the final state – Kinematical variables in high energy nuclear and particle physics – Rapidity, pseudorapidity, transverse momentum and transverse mass – Transformation of variables – Kinematical acceptance - Reconstruction of decaying particles – Dalitz plots - Invariant mass spectra and identification of decaying particles – Armenteros-Podolanski plot - Background evaluation – Methods and algorithms for background subtraction in high multiplicity events - Event mixing techniques, track rotation, like-sign methods – Event generators for pp and heavy ion collisions – Use of event generators in nuclear physics - Event characterization – Centrality of collision events – Reaction plane and its determination.

High-energy nucleon-nucleon collisions

Basic phenomenology of Nucleon-Nucleon collisions – Particle production – Inclusive experimental distributions – Hard and soft processes – Event generators for nucleon-nucleon collisions – Examples from PITHYA event generator

Heavy ion collisions from intermediate to relativistic energy

Particle multiplicity – Energy density – Excitation energy – Central and peripheral collisions – Global variables - Event centrality determination – Nuclear matter at high density – Multifragmentation – Inclusive and exclusive experiments – Collective flow – Reaction plane – Subthreshold particle production – Phase transitions at intermediate energy – Particle production from intermediate to relativistic energies – Distributions and relative abundances – Rapidity and transverse momentum distributions – Inelasticity – Pion and kaon production – Strangeness production

Ultra-relativistic heavy ion collisions

Nuclear stopping – Energy density – Bjorken estimate – Geometrical description of nuclear collisions – Glauber model – Particle production – Collective effects – Hard probes – Jet quenching – Simulation of high energy nucleus-nucleus collisions – Event generators for heavy ion collisions – Examples from HIJING event generator

Hadronic matter and quark-gluon-plasma

QCD and QGP – The problem of quark deconfinement – Chiral symmetry – Quark matter – Search for experimental evidence of quark matter – Astrophysical aspects – Neutron stars – Strangelets – Links to cosmic ray physics

Signatures of QGP in heavy ion collisions

Dilepton production – Drell-Yann processes – J/Psi suppression – Strangeness production – Multistrange hyperons – Direct photon emission – Intensity interferometry and space-time size of nuclear sources – Event-by-event physics – Correlations and fluctuations

Recent results from high energy nuclear physics

Review of recent results at RHIC and LHC – Main results and perspectives – The upgrade of the LHC experiments and the future at LHC

Particle detectors in high energy nuclear physics

Particle detection in nuclear physics – General properties: operating strategies, signal information, calibration, energy, space and time resolution – Energy measurements – Timing measurements – Geometrical acceptance – Detector efficiency – Simulation techniques for the evaluation of acceptance and efficiency – Basic phenomenology of a nuclear collision - Charged particle multiplicity at low energy, intermediate energy and ultrarelativistic regimes – Individual detectors and multidetectors – Typical examples of multidetectors at intermediate energies – Examples of multidetectors at high energy - Tracking detectors - Vertex detectors – Detectors for particle identification.

Adavanced detection techniques

Recent developments in gas detectors – Drift chambers – Time Projection Chambers - Multigap resistive plate chambers – Development of silicon detectors – Microstrip detectors – Silicon drift detectors – Hybrid and monolithic pixel detectors – Silicon vertex detectors – Radiation damage in silicon detectors – Cerenkov Ring Detectors – Electromagnetic and hadronic calorimeters – Transition radiation Detectors - Scintillation detectors with wavelength shifter fibers – Development in photosensors: Avalanche photodiodes and Silicon photomultipliers.

Useful references for the topics discussed will be provided along the lectures.

Tutto il materiale didattico del corso (lezioni, esercitazioni, tutorial,...) è disponbile sul sito:

lab3ct.altervista.org

Presentazione di una tesina scritta che riporti un lavoro di analisi/simulazione condotto con qualcuno dei metodi illustrati durante il corso

Discussione orale

Metodi di simulazione Monte Carlo - SImulazione con package GEANT - Reti neurali - Digital Pulse Processing