Acquisizione dati e controllo

CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN FISICA ATTIVITA’ FORMATIVA Acceleratori di particelle

Acquisizione dati e controllo

CONTENUTO/OBIETTIVI SPECIFICI A partire da casi specifici di acceleratori sono introdotti i concetti fondamentali che regolano il funzionamento delle macchine acceleratici (focheggiamento, stabilita’ di fase, ottica) e si deduce il formalismo necessario alla loro progettazione Controllo in feedback di sistemi dinamici realizzato sia per via analogica che per via digitale

Biochimica fisica

Biofisica 2

Bioinformatica 2

Cibernetica

Diagnostica fisica per i beni culturali

Fisica biologica 2

Fisica dei solidi 1

Fisica dei solidi 2

Fisica del neutrino

Vengono trattati gli aspetti teorici e pratici legati allo studio della struttura tridimensionale delle macromolecole biologiche tramite diffrazione di raggi X da monocristallo, e alla simulazione delle loro proprieta’ strutturali e dinamiche. Il corso tratta le reti di regolazione genica ed i pathways metabolici, ed introduce argomenti di bioinformatica strutturale quali la dinamica molecolare, i campi elettromagnetici in strutture proteiche, algoritmi di riconoscimento di folding proteico (threading) e modelli markoviani applicati all’analisi di sequenza. Inoltre, argomenti trattati nel corso di Bioinformatica I sono approfonditi ed espansi. Il corso verterà sulle tecniche di riconoscimento di segnali ed immagini sia di tipo statistico e parametrico che di tipo automatico ed adattativi. Il corso tratterà le tecniche diagnostiche dei beni culturali che hanno come fondamento un processo fisico normalmente non distruttivo, con particolare riguardo alle tecniche che fanno uso di acceleratori e di rivelatori di fotoni e particelle cariche. Le metodiche saranno tutte illustrate con esempi di applicazione ai materiali di uso più comune nel campo artistico-culturale. Nel corso vengono trattati argomenti avanzati di natura biofisica,quali motori molecolari, processi di biosintesi e controllo di qualità delle proteine, misfolding, trasporto vescicolare. Il corso fornisce gli elementi fondamentali della fisica dei solidi. In particolare descrive le strutture cristallografiche, gli stati elettronici e le vibrazioni reticolari. Il corso completa la preparazione degli studenti in fisica dei solidi, studiando i semiconduttori, le proprieta` di trasporto, difetti ed eccitazioni. Considera poi le proprieta` del gas di elettroni, e argomenti di molti corpi: teoria della risposta lineare, superconduttivita`, effetto Hall quantistico. La definizione delle proprieta’ fisiche dei neutrini coinvolge la fisica nucleare, delle particelle, l’astrofisica e la cosmologia. Nel corso vengono descritti i principali sviluppi della fisica del neutrino con particolare riguardo alle piu recenti ricerche sul mescolamento dei sapori leptonci e sulle masse.

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1 7.4 Contenuto dei corsi

Fisica delle astroparticelle

Fisica delle particelle elementari 1

Fisica delle superfici

Fisica dell'oceano 2

Fisica matematica

Fisica medica 1

Fisica medica 2

Fisica nucleare e subnucleare 2

Il corso tratta la interpretazione di problematiche fondamentali dell’astrofisica e della cosmologia (es. materia ed energia oscura,inflazione) alla luce delle conoscenze e dei modelli della fisica subnucleare attuale nonche’ problematiche particellari studiabili prevalentemente nel contesto astrofisica (neutrino e raggi cosmici) Lo scopo del corso e' illustrare la costruzione della teoria unificata delle interazioni deboli ed elettromagnetiche (modello standard), e fornire gli strumenti necessari al calcolo delle grandezze osservabili piu' comuni in fisica delle particelle. La prima parte del corso e' dedicata ai fondamenti della teoria dei campi e alle tecniche di calcolo di osservabili in approssimazione semiclassica. La seconda parte e' dedicata alla costruzione della teoria, svolta in dettaglio e illustrata mediante esempi e applicazioni. L’argomento del corso riguarda le proprietà strutturali, dinamiche ed elettroniche delle superfici dei solidi sia puliute che ricoperte di adsorbati. Verranno trattate inoltre l’interazione gas-superficie e descritte semplici reazioni catalitiche in fase eterogenea. Il corso tratta una prima parte di tecniche numeriche per la realizzazione di modelli di simulazione di correnti marine e di fenomeni di trasporto di sostanze inquinanti ed una seconda parte relativa alla strumentazione oceanografica e a misure in mare da effettuarsi nel Golfo di Genova con mezzi dell’Istituto Idrografico della Marina Il corso verte sullo studio dei fondamenti algebrici del calcolo tensoriale (algebra multilineare, algebra esterna, tensore metrico, tensore di Ricci), e sulla successiva applicazione allo studio della teoria dei campi tensoriali su varietà differenziabili. Biomeccanica: proprieta’ dei materiali; calcoli di deformazione e di stress; problemi di scala negli organismi viventi. Fluidi: equazioni del moto per fluidi liberi e confinati in condotti anche elastici; principi fisici della circolazione sanguigna. Fisica delle membrane: moto dei soluti e dei solventi; problemi di equilibrio termodinamico applicati alla materia biologica. Modelli di cellule. Fisica dei sensi: problemi di fisica applicati alla visione e all’udito. Il corso vuole mostrare il ruolo del fisico in campo clinico nell’utilizzo delle radiazioni ionizzanti e non ionizzanti, delle macchine diagnostiche (DR, TC, RM…), dell’acquisizione ed elaborazione delle immagini e dell’informatica e statistica medica. Argomenti del corso sono: interazioni tra i nucleoni e modellistica nucleare. Simmetrie unitarie e modello a quark elementare. Interazioni deboli e teoria di Fermi

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2 7.4 Contenuto dei corsi

Fisica sperimentale delle particelle elementari

Fisica teorica

Fisiologia

Fluidodinamica geofisica

Fondamenti di astrofisica e cosmologia

Forze intermolecolari in biosistemi

Laboratorio di elettronica 1

Laboratorio di elettronica 2

Laboratorio di fisica ambientale 2

Laboratorio di fisica biologia 2

Laboratorio di fisica della materia 1

Il corso presenta le caratteristiche principali dei moderni rivelatori e le tecniche di analisi usate negli esperimenti di fisica delle particelle. Viene anche presentato un panorama dei recenti risultati ottenuti negli esperimenti più significativi Il corso tratta alcuni sviluppi della meccanica quantistica, in particolare la teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo, la teoria della diffusione, la meccanica quantistica dei sistemi di particelle identiche. Organizzazione cellulare. Anatomia umana di base. Fisiologia umana di base. Circolazione del sangue. L'apparato sensoriale. E' un corso introdutivo sulla dinamica dei processi nella atmosfera e nell'oceano. L'obiettivo del corso è di dare una conoscenza di base dei processi in termini matematici con referimento ai flussi stratificati, moti sinottici e onde. Prerequisito indispensabile è di aver seguito il corso di Meccanica dei fluidi Tecniche di osservazione del cosmo. Astrofisica stellare: meccanismi di formazione, produzione di energia, quasi equilibri stellari, stelle classiche e particolari, morte delle stelle. Astrofisica delle galassie: classificazione e distribuzione delle galassie, loro equilibrio interno e loro formazione. Elementi di cosmologia: equazioni di Friedman, background cosmico, risultati recenti dalle supernovae antiche e dal background cosmico. Il corso ha lo scopo di insegnare le basi fisiche delle interazioni tra molecole che determinano la struttura e le proprietà dei biosistemi: forze elettrostatiche, forze di van der Waals, forze repulsive, interazione idrofobiche, legame idrogeno. Vengono forniti, sia mediante lezioni frontali, sia attraverso attività di laboratorio, gli elementi indispensabili per l’utilizzo delle tecniche e degli strumenti dell’elettronica nel lavoro e nella ricerca scientifica Il corso si sviluppa attraverso la realizzazione di alcuni progetti per la misura di grandezze fisiche nei quali le tecniche e i metodi dell’elettronica svolgono un ruolo determinante Vengono sviluppate sperimentalmente tecniche di ricerca basate sul controllo e sull’utilizzo delle radiazioni ionizzanti in campo ambientale. Il corso è per la gran parte tenuto in laboratorio. Gli studenti utilizzeranno tecniche sperimentali per lo studio a livello molecolare della trasmissione del segnale nervoso in neuroni in coltura. In particolare si effettueranno misure elettrofisiologiche e di fluorescenza utilizzando la tecnica del patch-clamp e la microscopia con eccitazione a due fotoni Il corso tratta la fisica e le tecniche del vuoto e delle basse temperature con particolare riguardo alle caratteristiche dei rivelatori criogenici.

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3 7.4 Contenuto dei corsi

Laboratorio di fisica della materia 2

Laboratorio di fisica nucleare, subnucleare e astrofisica 1

Laboratorio di fisica nucleare, subnucleare e astrofisica 2

Meccanica statistica

Metodi numerici in teoria dei campi

Metodi computazionali per biosistemi

Metodi di teoria dei campi in meccanica statistica

Metodi fisici per la biofisica

Il programma riguarda i principali metodi di investigazionedelle proprietà della materia e della sua superficie a livello nanoscopico dai punti di vista sia morfologico-cristallografico che spettroscopico. Verranno affrontate le problematiche legate a produzione, trasporto, focheggiamento, monocromatizzazione e rivelazione di fasci di neutroni, fotoni, atomi ed elettroni ed alla costruzione di microscopi con queste particelle. In laboratorio gli studenti eseguiranno misure di diffrazione di elettroni lenti e raggi X ed utilizzeranno la spettroscopia Auger, di fotoemissione ed assorbimento di raggi X e di assorbimento infrarosso (FTIR) nonché le microscopie a risoluzione atomica TEM ed STM. Il corso di vuole mostrare allo studente i fenomeni, gli apparati e le tecniche impiegate per la rivelazione delle particelle quando esse attraversano la materia e introdurlo al lavoro di gruppo, con semplici esperimenti guidati di fisica nucleare Il corso, svolto interamente in laboratorio, propone agli studenti un progetto di fisica nucleare da realizzare in tutte le sue componenti: studio fisico, simulazione e scelta dell’apparato, messa a punto dell’elettronica, acquisizione, elaborazione e presentazione dei dati ricavati. L'argomento centrale del corso sono le transizioni di fase che vengono descritte sia negli aspetti generali (teoremi di Lee e Yang) sia in quelli particolari prendendo ad esempio il modello di Ising per il ferromagnetismo. La trattazione comprende sia le soluzioni esatte del modello che i metodi di approssimazione classici (teoria di campo medio), per arrivare infine ad un approccio più moderno basato dul gruppo di rinormalizzazione alla Kadanoff- Wilson per il calcolo degli esponenti critici. Il corso fornisce una introduzione generale all'uso dei metodi di simulazione numerica in Meccanica Statistica e Teoria Quantistica dei Campi, con particolare enfasi alla formulazione su reticolo della teoria delle interazioni forti. Il corso tratta la dinamica molecolare, metodo di simulazione al calcolatore di interesse nella fisica della materia condensata e nella fisica biologica. Applicazioni a vari sistemi (aggregati metallici e proteine) sono trattate in dettaglio mediante esercitazioni al calcolatore. Il corso si propone di applicare gli strumenti della teoria dei campi alla meccanica statistica e in particolare allo studio delle transizioni di fase continue. Microscopia a sonda di scansione. Microscopia confocale e a due fotoni. Spettroscopia in forza. Spettroscopia UV-visibile, infrarosso e Raman in trasmissione e in riflessione. Effetti di superficie (FTIR, ATR, SERS). Risonanza di plasmoni di superficie. Dicroismo circolare. Scattering differenziale di luce

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4 7.4 Contenuto dei corsi

Metodi matematici della fisica 2

Nanostrutture

Radioattivita'

Relativita’ generale

Sistemi a molti corpi

Sistemi mesoscopici e nanostrutture

Struttura della materia 2

Superconduttività

polarizzata. Spettroscopie a risonanza di spin elettronico (ESR) e a risonanza magnetica nucleare (NMR). Misure di piccole correnti con tecniche di patch-clamp. Contenuto: Teoria delle distribuzioni. Distribuzioni temperate e trasformate di Fourier delle distribuzioni temperate e periodiche. Operatori differenziali su spazi di Hilbert di funzioni. Esempi in Meccanica Quantistica..Obiettivi: Esporre alcune tecniche moderne di Analisi Funzionale, incentrate sulla nozione di distribuzione, e le loro applicazioni in Fisica Teorica Il corso introduce la realizzazione e i metodi di caratterizzazione di nanostrutture, presentando applicazioni e fenomenologia in differenti campi della fisica. La radioattività: sorgenti di radiazioni naturali ed artificiali; origine e composizione dei raggi cosmici; dosimetria delle radiazioni, misure di dose; radioprotezione negli ambienti di lavoro; calcolo di schermature per fotoni e neutroni; tecniche nucleari applicate per la ricerca di elementi in tracce: la PIXE, l’attivazione neutronica; metodi di datazione di campioni organici e inorganici. Il principio di equivalenza di Einstein. Il formalismo tensoriale. L’equazione di Einstein; soluzione di Schwarzschild, singolarità, modello cosmologico di Freedman. Equazione linearizzata-onde gravitazionali. Si studiano i sistemi composti da molte particelle interagenti (nuclei, gas di elettroni, stelle a neutroni, quark-gluon plasma) evidenziando soprattutto gli aspetti comuni derivanti dall'essere il sistema a molti corpi (stati collettivi, superconduttivita' e superfluidita'). Il corso fornisce una base teorica per comprendere le molteplici proprietà di trasporto presenti nelle nanostrutture. Obiettivo principale è dare un quadro chiaro sulla fisica dei sistemi mesoscopici, evidenziando i principi quantistici di coerenza, interferenza e quantizzazione che stanno alla base dei nuovi dispositivi nano-meccanoelettronici Gas interagenti. Potenziale di Lennard Jones. Secondo coefficiente del viriale. Funzione g(r). Liquidi classici. Equazione di stato di un liquido. Diffrazione X. Liquidi quantistici. Elio liquido, rotoni. Effetti della dimensionalità nelle statistiche quantistiche. Legame nei solidi. Reticolo diretto e reciproco. Diffrazione X. Catena unidimensionale. Fononi ottici e acustici. Zone di Brillouin. Proprietà elettroniche dei solidi. Bande di energia. Metalli , semiconduttori e isolanti. Proprietà di trasporto. Sistemi disordinati. Il corso si propone di fornire un ampio quadro del fenomeno della superconduttività dalla comprensione dei meccanismi microscopici, allo sviluppo dei materiali superconduttori e relative applicazioni. Contenuti: Proprietà elettriche, magnetiche e termiche. Cenni sulla teoria BCS. Teoria fenomenologia di Ginzburg-Landau. Materiali superconduttori. Principali applicazioni

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5 7.4 Contenuto dei corsi

Teoria dei campi

Teoria dei gruppi

Teoria delle forze nucleari

Teorie di gauge

Il corso tratta i principi della meccanica quantistica relativistica. Gli argomenti comprenderanno: la seconda quantizzazione per sistemi relativistici di particelle identiche, la quantizzazione dei campi liberi relativistici, la teoria invariante delle perturbazioni. Sara’ enfatizzato il punto di vista della teoria delle rappresentazioni del gruppo delle trasformazioni di Lorentz. Contenuto: Rappresentazioni di Gruppi finiti e compatti. Il gruppo simmetrico ed il gruppo delle rotazioni. Applicazioni alla Meccanica Quantistica. Rappresentazioni finito dimensionali di gruppi e algebre di Lie. Il modello SU(3). Obiettivi: Esporre alcune applicazioni della teoria delle rappresentazioni in Meccanica Quantistica e Fisica delle particelle. Argomenti del corso sono: la descrizione microscopica della forza nucleare. Le interazioni fondamentali e i modelli per la struttura del nucleone. Le simmetrie dinamiche applicate alla fisica nucleare (IBM) e alla struttura degli adroni. Il corso illustra la struttura e i metodi delle teorie di Campo Perturbative, in particolare QED e QCD. Lo scopo è di familiarizzare lo studente con la rinormalizzazione delle teorie di campo, attraverso il calcolo di diagrammi di Feynman per l’estensione quantistica a 1 loop della QCD.

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6 7.4 Contenuto dei corsi