Programma:

1. Principi di invarianza e leggi di conservazione.
2. simmetrie discrete e continue;
3. equazioni relativistiche: Klein-Gordon, Dirac
4. soluioni ad energia negativa, elicità, spin, soluzioni per massa nulla, i neutrini
5. teoria delle perturbazioni relativistica, hamiltoniana di interazione, grafici di Feynman, propagatore come funzione di Green;
6. trasformazioni di Lorentz, sistema di laboratorio e del centro di massa, massa invariante, cinematica delle reazioni, soglia di reazione;
7. campi di interazione, modello di Yukawa;
8. raggi cosmici prmiari e secondari, il muone: decadimento, massa e vita media;
9. cinematica dei decadimenti, combinazione dei momenti angolari, coefficienti di Clebsch-Gordan, simmetria dell'isospin;
10. larghezze di decadimento e confronto tra elementi di matrice, leggi di conservazione;
11. densità dello spazione della fasi, sezione d'urto di Scattering, fattori di flusso, fattore dello spazioe delle fasi invariante, elementi di matrice di scattering;
12. il pione: carica, spin, parità, coniugazione di carica, isospin;
13. particelle strane, iperoni, interazione dei mesoni K;
14: barioni strani, ottetti mesonici e barionici, simmetria SU(3), ipercarica, diagrammi di Young;
15: scoperta dell'anti-protone, gli anti-barioni, la risonanza Delta;
16: risonanze adroniche e mesoniche, modella a Quarks;
17: rappresentazione del mesoni nel modello a quarks
18: scattering da potenziale, soluzione dell'equazione di Schroedingher per onde sferiche;
19: sezione d'urto di diffusione e assorbimento, limite di unitarietà, teorema ottico;
20: sezione d'urto risonante, formula di Breit-Wigner, masse dei barioni con formula di Gell-Man Okubo;
21: il numero quantico di colore, rappresentazioni SU(3) di colore, relazioni tra spin e multipletti di SU(3);
22: l'interazione debole, violazione della parità, esperimento di madame Wu;
23: oscillazione dei mesoni K, l'angolo di Cabibbo, il meccanismo GIM;
23: scoperta dei quark charm e beauty;
24: decadimento dei mesoni D e B, diagrammi di Feynman, relazioni di isospin;
25: fasci di neutrini, sapore dei neutrini, scoperta del neutrino tau;
25: le macchine acceleratrici e+ e-, sezione d'urto di produzione adronica, il rapporto R e il numero di quarks e colori;
26: misura dell'elicità del neutrino, scoperta dell'anti-neutrino;
27: deep inelastic scattering, funzioni di distribuzione partoniche;
27: collisori adronici, protone-anti-protone e protone-protone: scoperta dei bosoni W e Z;
28: il bosone di Higgs

1. dispense del corso, reperibili sul sito del corso;
2. F. Halzen, A. D. Martin, "An Introductory Course in Modern Particle Physics"
3. D. Scroeder, M. Peskin, "An Introduction to Quantum Field Theory"
4. S. Weinberg, "The Quantum Theory of Fields"

Programma:

1. Principi di invarianza e leggi di conservazione.
2. simmetrie discrete e continue;
3. equazioni relativistiche: Klein-Gordon, Dirac
4. soluioni ad energia negativa, elicità, spin, soluzioni per massa nulla, i neutrini
5. teoria delle perturbazioni relativistica, hamiltoniana di interazione, grafici di Feynman, propagatore come funzione di Green;
6. trasformazioni di Lorentz, sistema di laboratorio e del centro di massa, massa invariante, cinematica delle reazioni, soglia di reazione;
7. campi di interazione, modello di Yukawa;
8. raggi cosmici prmiari e secondari, il muone: decadimento, massa e vita media;
9. cinematica dei decadimenti, combinazione dei momenti angolari, coefficienti di Clebsch-Gordan, simmetria dell'isospin;
10. larghezze di decadimento e confronto tra elementi di matrice, leggi di conservazione;
11. densità dello spazione della fasi, sezione d'urto di Scattering, fattori di
flusso, fattore dello spazioe delle fasi invariante, elementi di matrice di scattering;
12. il pione: carica, spin, parità, coniugazione di carica, isospin;
13. particelle strane, iperoni, interazione dei mesoni K;
14: barioni strani, ottetti mesonici e barionici, simmetria SU(3), ipercarica, diagrammi di Young;
15: scoperta dell'anti-protone, gli anti-barioni, la risonanza Delta;
16: risonanze adroniche e mesoniche, modella a Quarks;
17: rappresentazione del mesoni nel modello a quarks
18: scattering da potenziale, soluzione dell'equazione di Schroedingher per onde sferiche;
19: sezione d'urto di diffusione e assorbimento, limite di unitarietà, teorema ottico;
20: sezione d'urto risonante, formula di Breit-Wigner, masse dei barioni con formula di Gell-Man Okubo;
21: il numero quantico di colore, rappresentazioni SU(3) di colore, relazioni tra spin e multipletti di SU(3);
22: l'interazione debole, violazione della parità, esperimento di madame Wu;
23: oscillazione dei mesoni K, l'angolo di Cabibbo, il meccanismo GIM;
23: scoperta dei quark charm e beauty;
24: decadimento dei mesoni D e B, diagrammi di Feynman, relazioni di isospin;
25: fasci di neutrini, sapore dei neutrini, scoperta del neutrino tau;
25: le macchine acceleratrici e+ e-, sezione d'urto di produzione adronica, il rapporto R e il numero di quarks e colori;
26: misura dell'elicità del neutrino, scoperta dell'anti-neutrino;
27: deep inelastic scattering, funzioni di distribuzione partoniche;
27: collisori adronici, protone-anti-protone e protone-protone: scoperta dei bosoni W e Z;
28: il bosone di Higgs

1. dispense del corso, reperibili sul sito del corso;
2. F. Halzen, A. D. Martin, "An Introductory Course in Modern Particle Physics"
3. D. Scroeder, M. Peskin, "An Introduction to Quantum Field Theory"
4. S. Weinberg, "The Quantum Theory of Fields"

Relatività ristretta ed elettromagnetismo
Richiami di relatività ristretta: trasformazioni di Lorentz, addizione delle velocità,
aberrazione della luce. Rappresentazione grafica di Minkowski: classificazione degli in-
tervalli, dilatazione dei tempi, contrazione delle lunghezze, causalità. Caratterizzazione
completa delle trasformazioni delle coordinate che lasciano invariato l'intervallo spazio-
temporale pseudoeuclideo: gruppo di Poincarè, gruppo di Lorentz e loro struttura.
Elementi di calcolo quadritensoriale: scalari, vettori controvarianti, vettori covarianti,
tensori, pseudotensori, prodotto scalare, contrazioni tensoriali. Legge di trasformazione
dei campi, quadrigradiente.
Elementi di meccanica relativistica: quadrivelocità, quadriaccelerazione, quadrimpul-
so, quadrivettore forza e legge della potenza.
Formulazione covariante dell'equazione di Lorentz e tensore del campo elettromagne-
tico. Proprietà di trasformazione dei campi elettrico e magnetico. Formulazione covarian-
te delle equazioni di Maxwell. Potenziale vettore, potenziale scalare, quadripotenziale.
Equazioni di Maxwell in termini del quadripotenziale. Invarianza di gauge. Invarianti del
campo elettromagnetico. Campo creato da una carica in moto uniforme: derivazione dal
campo elettrostatico mediante una trasformazione di Lorentz.
Bilancio energetico nel formalismo trivettoriale: densità di energia, vettore di Poynting.
Bilancio energetico nel formalismo covariante: tensore energia ed impulso. Leggi di
conservazione: conservazione del quadrimpulso totale e tensore degli sforzi di Maxwell.
Conservazione del momento angolare totale.
Equazioni di Maxwell nel vuoto per il quadripotenziale nella gauge di Lorentz e loro
soluzione generale. Soluzioni di tipo onda piana delle equazioni di Maxwell nel vuoto e
loro proprietà. Densità e flusso di energia di un'onda piana. Pressione della radiazione.
Formulazione covariante della polarizzazione.
Equazione per il quadripotenziale in presenza di sorgenti. Funzione di Green. Poten-
ziali e campi di Lienard e Wiechert. Potenza irradiata in approssimazione non relativistica
e relativistica. Sezione d'urto Thomson. Effetto Compton. Effetto Cerenkov.

Meccanica quantistica relativistica.
Equazione di Dirac. Covarianza dell'equazione. Limite non relativistico. Covarianti
bilineari. Soluzioni dell'equazione di Dirac. Proiettori per le soluzioni ad energia positiva
e negativa. Elicità e chiralità.

Teoria dei campi quantizzati
Il campo elettromagnetico libero come insieme di oscillatori armonici. Quantizzazione
del campo in gauge di radiazione . Operatori di creazione ed annichilazione.
Richiami di meccanica quantistica: oscillatore armonico, rappresentazione di Heisen-
berg, operatore di evoluzione temporale, prodotto cronologico.
Formalismo lagrangiano dal discreto al continuo. Quantizzazione del campo. Com-
mutatori canonici. Simmetrie e teorema della Noether. Invarianza per traslazioni spazio-
temporali. Tensore energia-impulso. Simmetrie interne. Lagrangiano del campo scalare reale e complesso,
sua quantizzazione. Prodotti ordinati. Invarianza globale e
locale. Lagrangiano del campo di Dirac. Quantizzazione. Anticommutatori canonici.
Quantizzazione del campo elettromagnetico.
La rappresentazione di interazione. Matrice S. Sviluppo perturbativo della matrice S.
Teorema di Wick. Commutatori dei campi bosonici e fermionici a tempi arbitrari.
Propagatori per il campo scalare e di Dirac. Propagatore del fotone.
Introduzione alle regole di Feynman. Regole di Feynman in QED. Sezione d'urto.
Processi ad ordine albero: e+e- - mu+ mu- , diffusione in campo esterno.

V. Barone: Relatività, Bollati Boringhieri.
F. Mandl, G. Shaw: Quantum Field Theory, John Wiley & Sons.

Panoramica sulla materia condensata. Descrizione geometrica dei cristalli: reticoli diretti, reticoli reciproci e zona di Brillouin.
Scattering di particelle da cristalli: raggi x, elettroni e neutroni. Quasicristalli. Classificazione dei solidi cristallini e legami.
Approssimazione adiabatica di Born-Oppenheimer. Dinamica vibrazionale del reticolo cristallino, fononi. Calori specifici vibrazionali di Einstein e Debye e calore specifico elettronico. Elettroni in potenziali periodici: il teorema di Bloch. Teoria dell'elettrone libero nei metalli. L'Hamiltoniano a multielettroni e approssimazioni ad elettrone singolo: equazioni di Hartee e Hartee-Fock. Teoria a bande dei cristalli: metodo del Tight Binding, approssimazione dell'elettrone quasi libero. Proprieta' elettroniche di cristalli rilevanti. Trasporto nei metalli.
Semiconduttori intrinseci e drogati e trasporto. Giunzione p-n. Superconduttivita'.

TESTO PRINCIPALE:
Giuseppe Grosso and Giuseppe Pastori Parravicini Solid State Physics Academic Press

ALTRI TESTI UTILIZZATI:
Neil W. Ashcroft N. David Mermin Solid State Physics Saunders College
Charles Kittel Introduzione alla Fisica Dello Stato Solido Casa Editrice Ambrosiana

APPUNTI, PRESENTAZIONI E ESERCIZI sono pubblicati sul sito del corso
http://webusers.fis.uniroma3.it/~gallop/

SI SVOLGONO GLI ESERCIZI RELATIVI ALLE SEGUENTI PARTI DEL PROGRAMMA DEL CORSO DELLA PROFESSORESSA PAOLA GALLO:

Descrizione geometrica dei cristalli: reticoli diretti, reticoli reciproci e zona di Brillouin.
Scattering di particelle da cristalli: raggi x.
Dinamica vibrazionale del reticolo cristallino, fononi.
Calori specifici vibrazionali di Einstein e Debye e calore specifico elettronico.
Teoria a bande degli elettroni nei cristalli:
metodo del Tight Binding, approssimazione dell'elettrone quasi libero.
Trasporto semiconduttori intrinseci e drogati.

ESERCIZI divisi in "testi" e "testi e soluzioni" pubblicati sul sito del corso.
Sullo stesso sito saranno pubblicate prove di esonero e esame di anni precedenti.

Teoria dei Gruppi (CA)

SU(2) e SU(3)

La forma di Killing

Algebre di Lie semplici

Rappresentazioni

Radici semplici e la matrice di Cartan

Le algebre "classiche"

Le algebbre "eccezionali"

Operatore di Casimir e la formula di Freudenthal

Il gruppo di Weyl

La formula della dimensione di Weyl

Riduzione del prodotto di rappresentazioni

Sub-algebre

Regole di decomposizione

Metodi Numerici

Probabilità e variabili random

Richiami su Misure, inceretezze e loro propagazione

Richiami su Fit di una curva, minimi quadrati, ottimizzazione

Integrazione numerica classica, velocità di convergenza

Integrazione MC, media e varianza

Strategie di campionamento

Applicazioni

Propagazione delle incertezze Note

Generazione di dati secondo una distribuzione

Corrispondenza tra argomenti e sezioni dei libri su http://webusers.fis.uniroma3.it/franceschini/cmm.html

Robert Cahn - Semi-Simple Lie Algebras and Their Representations - Dover Publications 2014 (disponibile presso Roma TRE BAST Sede Centrale e presso la pagina dell'autore )

Weinzierl, S. - Introduction to Monte Carlo methods arXiv:hep-ph/0006269

Taylor, J. - An introduction to error analysis - University Science Books Sausalito, California Disponibile nella biblioteca Scientifica di Roma Tre

Dubi, A. - Monte Carlo applications in systems engineering - Wiley Disponibile nella biblioteca Scientifica di Roma Tre

materiale fornito a lezione ed elencato sul web http://webusers.fis.uniroma3.it/franceschini/cmm.html

Processi Radiativi in Astrofisica: Equazione del Trasporto, Bremsstrahlung, Sincrotrone, Effetto Compton Inverso, Produzione di Coppie, Effetto Cherenkov
Interazioni Nucleari, Righe Nucleari
Spettroscopia: Notazione, Livelli di Energia, Regole di Selezione, Bilancio di Ionizzazione, Righe di Emissione e Assorbimento, Misure di Densità e Temperatura, Polvere ed Estinzione
Spettroscopia Molecolare
Altri Messaggeri in Astrofisica: Onde Gravitazionali, Neutrini
Accelerazione di Particelle: Meccanismi di Fermi, Onde d’urto

(LONGAIR MALCOM S. ) HIGH ENERGY ASTROPHYSICS 3RD ED. [CAMBRIDGE 2011]
(G.B. RYBICKI, A.P. LIGHTMAN) RADIATIVE PROCESSES IN ASTRIPHYSICS [WILEY]
(SHAPIRO S.L, TEUKOLSKY S.A.) BLACK HOLES, WHITE DWARFS AND NEUTRON STARS [WILEY]
G. Ghisellini “Radiative Processes in High Energy Astrophysics”, 2013

Programma
1.
Cenni di evoluzione stellare
2.
Cenni sulla strumentazione
3.
La Via Lattea
4.
Il buco nero centrale
5.
Classificazione delle galassie
6.
Potenziali delle galassie, distribuzione di massa e andamento delle isofote
7.
Le curve di rotazione
8.
Relazioni di scala nelle galassie
9.
Spettroscopia: gas freddo, gas caldo e gas molecolare
10.
Misure spettroscopiche di velocità, temperatura e densità
11.
Gli AGN: motore e struttura centrale
12.
La misura della massa dei black holes
13.
Gli AGN: evoluzione
14.
Coevoluzione AGN/galassie
15.
Misura e storia delle Star Formation and Accretion Rates
16.
Misura e riproduzione di: fondi cosmici, funzioni di luminosità e di massa
17.
La metallicità
18.
Gli ammassi di galassie

L.S. Sparke and J.S. Gallagher
Galaxies in the Universe - An Introduction. Cambridge University Press

Osservazioni stellari
Magnitudine di una stella. Intensità luminosa. Magnitudine apparente e relativa. Spettro di corpo nero. Leggi di Wien e Stefan-Boltzmann.
I colori delle stelle. Profondità ottica. Equazione del trasporto radiativo. Oscuramento al bordo. Approssimazione di Eddington-Barbier. Atmosfera grigia. Definizione di fotosfera e di temperatura effettiva. I diagrammi di Hertzprung-Russell e Colore-Magnitudine.
Spettri stellari. Equazioni di Saha e di Boltzman. Righe dell’idrogeno. Discontinuità di Balmer. Tipi spettrali.

Trasporto radiativo e opacità.
La radiazione elettromagnetica. Rapporto tra flusso radiativo e gradiente di temperatura. Opacità e libero cammino medio fotonico. Coefficiente di opacità medio di Rosseland. Meccanismi di assorbimento di fotoni: transizioni legato-legato, legato libero, e libero-libero. Opacità di Kramer. Scattering Thomson. Conduzione elettronica. Importanza relativa dei vari tipi di opacità nel piano densità-temperatura.

La convezione nelle stelle
L’instabilità convettiva. Criteri di Schwarzschild e Ledoux per l’instabilità convettiva. Cause principali per l’instaurarsi dell’instabilità convettiva. Efficienza della convezione. La“Mixing Length Theory” e il parametro libero α.Incertezze legate alla convezione. Calibrazione del parametro libero. Problematiche legate alla turbolenza e alla non località della convezione.

Equazione di stato
Equazione di stato per gli interni stellari. Pressioni di gas perfetto e di radiazione. Degenerazione elettronica. Il ruolo del Principio di Pauli. Il momento di Fermi. Degenerazione parziale e completa.
Equazione di stato per gas degenere in regime relativistico e non relativistico. Cristallizzazzione.
Neutronizzazione. Importanza relativa dei vari tipi di pressione nel piano densità –temperatura.

Generazione di energia nucleare
Le reazioni nucleari. Difetto di massa. Effetto tunnel. Risonanze. Sezioni d’urto. Rate di reazioni
nucleari. Coefficiente di generazione di energia nucleare. Picco di Gamow. Dipendenza funzionale del rate delle reazioni nucleari dalla temperatura. Screening elettronico. La catena protone-protone. Il ciclo CNO.
Abbondanzedi equilibrio CNO. Le reazioni 3α.

Le equazioni dell’equilibrio stellare
Equazioni dell’equilibrio stellare. Conservazione della massa. Espressione e significato fisico del coefficiente di generazione di energia gravitazionale. Conservazione dell’energia. Equilibrio idrostatico. Trasporto energetico. Energetica dei neutrini. Trattamento degli strati atmosferici. Equazioni dell’equilibrio stellare in forma adimensionale.

Nascita delle stelle e prime fasi evolutive
Il teorema del Viriale. Il criterio di Jeans per il collasso. La massa di Jeans. Frammentazione gerarchica.
Cooling radiativo. Collasso isotermo. Collasso adiabatico. Dischi di accrescimento e struttura del disco. Bilancio energetico durante la fase di accrescimento. Struttura di protostella. La teoria di Hayashi della pre-sequenza. linee di Hayashi e loro significato fisico. Stratificazione di entropia in stelle radiative e convettive.
Tracce evolutive classiche di pre-sequenza nel diagramma HR. Il tempo-scala di Kelvin-Helmotz. Il modello di Palla&
Stahler. Accrescimento. Evoluzione del core in equilibrio idrostatico. La relazione Massa-Raggio. La “birthline”. La fusione del Litio in pre-sequenza. Il Litio nelle stelle di associazioni stellari giovani.
Il limite di massa per la fusione dell’idrogeno. Brown dwarfse pianeti giganti. Ruolo della degenerazione elettronica. Il “Disk-locking” e il frenamento magnetico.

La combustione di idrogeno
Sequenze principali (MS) di ammassi aperti e globulari. Relazione Massa - Luminosità per stelle di MS. Forma della ZAMS. Limite inferiore e superiore per le masse di stelle di MS. Struttura delle stelle di MS al variare della massa: estensione delle zone convettive e radiative. Limite in massa per la combustione pp e CNO.
Ruolo dell’idrogeno molecolare nella morfologia della ZAMS. Sequenze principali osservate in ammassi globulari e aperti : interpretazione. Tracce evolutive di stelle di sequenza principale. Incertezze teoriche sull’evoluzione delle stelle di MS: overshooting dal core, gradiente di temperatura in inviluppi convettivi.

La fase di gigante rossa
(KW – caps.30.5 e 32; articolo-review di M.Salaris) Evoluzione post-MS. Espansione in gigante. Il limite di Schonberg
-Chandrasekhar. Degenerazione del core di elio nei modelli di piccola massa. Primo dredge-up: cause e effetti. Estensione dell’inviluppo convettivo delle stelle al variare della temperatura effettiva.
Bump delle giganti. Funzioni di luminosità di ammassi stellari. Evoluzione di stelle di piccola massa fino al tip delle giganti. Il ruolo della shell CNO. Relazione Luminosità – Massa di core per le stelle di piccola massa.
Il ruolo dei neutrini per la determinazione del picco di temperatura. Flash dell’elio. Termodinamica
del flash. Il ruolo della degenerazione elettronica. Mini-flash. Confronto tra strutture termodinamiche pre- e post- flash. Evoluzione di ramo orizzontale: escursione delle tracce evolutive verso il blu e il rosso. Il ruolo dell’elio. Interpretazione dei rami orizzontali degli ammassi globulari: ruolo di età e perdita di massa . Combustione di elio in stelle non degeneri. “Blue loop” nel diagramma HR.

Evoluzione di ramo asintotico (KW –cap.33)
Secondo dredge-up. Degenerazione del core CO. Doppia shell di combustione nucleare. Instabilità
del pulso termico. Evoluzione in ramo asintotico. Relazione Luminosità –Massa di core per stelle AGB. “Hot Bottom Burning” e Terzo dredge-up. Stelle ricche di litio. Stelle al Carbonio.Variazione della chimica superficiale di stelle AGB al variare della massa. Evoluzione super-AGB: flame convettivo e formazione di
un core di Ossigeno e Neon. Polvere da stelle di ramo asintotico. Interpretazione dei diagrammi osservativi di popolazioni stellari evolute nelle Nubi di Magellano.

Le Nane bianche (KW –cap.35)
Ultime fasi di evoluzione di stelle di piccola massa o di massa intermedia. Lo stadio di nebulosa planetaria. Teoria di Chandrasekhar per le stelle nane bianche. Proprietà strutturali delle nane:
relazione Massa-Raggio. Bilancio energetico di nane bianche. Luminosità delle Nane bianche.
Teoria del raffreddamento (cooling).

Stelle variabili (KW –cap.39; BV3 –cap.18)
Variabilità stellare: introduzione storica. Oscillazioni radiali. Periodo di propagazione di una perturbazione acustica. Il confronto tra stelle variabili e macchine termiche. Meccanismi ε e k per la produzione del ‘’driving’’.
Il ruolo della dipendenza dell’opcità dalla temperatura. Zone di ionizzazione parziale di idrogeno ed elio come motori della variabilità stellare. Distribuzione delle stelle variabili nel diagramma HR, e relativa interpretazione. Strisce di instabilità. Variabili Cefeidi e RR Lyrae: stadio evolutivo, e relazioni Periodo -Luminosità.

Gli Ammassi stellari
Distribuzione spaziale e proprietà degli ammassi globulari della Via Lattea.
Distribuzione di stelle di ammassi stellari nel piano colore-magnitudine. Differenze tra ammassi aperti e globulari. Metodo del fitting delle isocrone: la magnitudine del Turn-off come indicatore di distanza e di età.
Reddening ed estinzione. Impatto della metallicità sul colore della sequenza principale degli
ammassi di stelle. Interpretazione dei rami orizzontali degli Ammassi Globulari.
Anomalie chimiche delle stelle di ammassi globulari. Anticorrelazioni ossigeno-sodio e magnesio-alluminio. Evidenze fotometriche della presenza di una o più componenti arricchite in elio. Lo scenario AGB
per la formazione di popolazioni multiple negli ammassi globulari.

Evoluzione di stelle massicce(KW –cap.34)
Stadi evolutivi terminali di stelle massicce: stelle LBV e Wolf-Rayet. Supernovae: osservazioni.
Supernovae di tipo Ia, Ib, Ic e II. Fasi evolutive post combustione di carbonio: formazione di un
“iron core”. Collasso del core. Fotodisintegrazione del core. Maccanismi esplosivi.

Titolo: Stellar structure and evolution
Autori: Kippenhahn, Weigert
Springer-Verlag 1990

Titolo: Introduction to stellar Astrophysics (vol. 2)
Autrice: E. Bohm-Vitense
Cambridge University Press 1992

Titolo: Introduction to stellar Astrophysics (vol. 3)
Autrice: E. Bohm-Vitense
Cambridge University Press 1992

§I. Introduzione: inerzia e covarianza

Relatività Galileiana e Relatività Speciale. Il principio di equivalenza. Motivazioni per la covarianza generale. Sistemi inerziali locali.

§II. Spaziotempo dinamico: fondamenti della Relatività Generale

Coordinate curvilinee. Vettori e tensori sotto trasformazioni generali di coordinate. Trasporto parallelo e simboli di Christoffel. Derivate covarianti e compatibilità metrica. Vettori covariantemente conservati e densità vettoriali conservate. Trasformazione dei simboli di Christoffel. Il teorema di Ricci. Geodetiche e loro limite newtoniano. Curve tipo-spazio, tipo-tempo e tipo-luce. Coordinate normali e sistemi inerziali locali. Derivazione covariante lungo una curva. Tensore di curvatura di Riemann. Proprietà algebriche. Identità Bianchi. Sistemi inerziali locali. Caratterizzazione degli spazi piatti. Deviazione geodetica. Azione di Einstein-Hilbert ed equazioni del moto. L'identità di Palatini. Accoppiamento minimale a campi scalari ed elettromagnetici.

§III. Approssimazione lineare e onde gravitazionali

Motivazioni. Fluttuazioni dello spazio-tempo piatto: tensore di Riemann linearizzato e sua invarianza di gauge abeliana. Equazioni del moto: gauge di de Donder e onde gravitazionali. Confronto con la teoria di Maxwell.

§IV. Isometrie e spazi massimamente simmetrici

Simmetrie di tensori: invarianza di forma. Equazioni di Killing. Condizione di integrabilità e numero massimo di isometrie. La derivata di Lie. Vettori di Killing e leggi di conservazione. L'esempio dello spazio di Minkowski. Isometrie traslazionali.

§V. La soluzione di Schwarschild

Metrica di Schwarzschild. Simmetria sferica e teorema di Birkhoff (senza dimostrazione). Vettori di Killingdella metrica di Schwarzschild. Redshift gravitazionale.

-Carroll S Spacetime and Geometry: An Introduction to General Relativity (Addison-Wesley 2014/Cambridge University Press, 2019)
-Dirac P A M General Theory of Relativity (Princeton University Press, 1996)
-Hartle S Gravity: An Introduction to Einstein's General Relativity (Cambridge University Press, 2021)
-Rovelli C, General Relativity - the Essentials, (Cambridge University Press, 2021).
-Weinberg S, Gravitation and Cosmology - principles and applications of the general theory of relativity, (John Wiley \& Sons, 1972).

- principio cosmologico e metrica di Robertson-Walker.
- equazioni di Friedmann
- il modello cosmologico standard
- Redshift, distanze e orizzonti cosmologici.
- parametri cosmologici fondamentali e loro determinazioni sperimentali.
- tests cosmologici classici: test di Hubble. test del diametro angolare. test dei conteggi.
- costante cosmologica.
- fluidi cosmici e loro equazione di stato.
- storia termica dell'universo. disaccoppiamento. ricombinazione.
- asimmetria materia-antimateria.
- oltre il modello standard: paradosso degli orizzonti e della piattezza. soluzione inflazionaria. cenni alla teoria dell'inflazione cosmologica.
- materia oscura.
- breve storia dell'universo: era adronica. era leptonica. era radiativa..
- nucleosintesi cosmologica.
- era della materia. reionizzazione.
- fondo cosmico a microonde
- instabilita' gravitazionale alla jeans
- evoluzione delle strutture cosmiche:
- spettro di perturbazioni di densita’, evoluzione lineare e non lineare del campo di densita’
- collasso sferico e teria di Press & Schechter
- cenni di sugli approcci numerici alla formazione delle strutture: simulazioni n-corpi
- processi legati alla formazione delle galassie
- cenni a problemi aperti nel campo della formazione delle strutture

Coles P., Lucchin F. Cosmology [Wiley 2000]
Peebles P.J.E. 1993. Principles of Physical Cosmology [Princeton Series in Physics 1993]

50 ore frontali

•Brevi richiami di relativita’ generale ed equazione di Einstein
•Metrica di Robertson-Walker
•Legge di Hubble e Hubble tension
•Redshift
•Distanze cosmologiche
•La costante cosmologica
•Modelli di Friedmann e di Einsten-de Sitter
•Cosmic Microwave Background
•Teoria di Jeans per Instabilita’ Gravitazionale
•Applicazione della teoria di Jeans in Cosmologia: evoluzione lineare
•Formazione di Strutture I: caso solo barioni
•Formazione di Strutture II: caso con anche materia non barionica
•Spettro delle perturbazioni, filtri e funzioni di trasferimento
•Funzioni di covarianza
•Teoria ed osservazioni legate alla teoria lineare: fluttuazioni del CMB
•Struttura a grande scala dell’Universo: analisi statistiche della distribuzione di galassie
•Evoluzione non-lineare delle perturbazioni
•Strutture virializzate: la teoria di Press e Schechter e sua estensione
•Materia luminosa e materia oscura: il problema del bias.
•La missione Euclid
•Cenni su radio sorgenti extragalattiche


Completamento delle 64 ore: studio dell'articolo
"Hosts and Environments: a (large-scale) radio history of AGN and star-forming galaxies"
(https://link.springer.com/article/10.1007/s00159-022-00142-1)

Coles P., Lucchin F. Cosmology [Wiley 2000] - Testo primario

Peacock J. Physical Cosmology. Cambridge Univ.Press

Padmanabhan t: structure fornation in the universe, cambridge university press

"Cosmology" di Weinberg (Oxford University Press)

Vari articoli di rivista forniti dal docente durante il corso.

OGGETTI COMPATTI: NANE BIANCHE, STELLE DI NEUTRONI. LIMITE DI CHANDRASEKHAR, PULSAR, BUCHI NERI
ACCRESCIMENTO: TEORIA, LIMITE DI EDDINGTON, DISCHI DI ACCRESCIMENTO
BINARIE X: FENOMENOLOGIA E CLASSIFICAZIONE, VARIABILI CATACLISMICHE, BINARIE X DI PICCOLA E GRANDE MASSA, CANDIDATI BUCHI NERI
NUCLEI GALATTICI ATTIVI: FENOMENOLOGIA E CLASSIFICAZIONE, EMISSIONE IN BANDA X E GAMMA, GETTI, MOTI SUPERLUMINALI
GAMMA RAY BURST: FENOMENOLOGIA, ORIGINE E MECCANISMI DI EMISSIONE
AMMASSI DI GALASSIE: EMISSIONE X DAL MEZZO INTERGALATTICO, COOLING FLOW
RAGGI COSMICI: COMPOSIZIONE, SPETTRO ED ORIGINE, RESTI DI SUPERNOVA, RAGGI COSMICI DI ALTISSIMA ENERGIA.

(LONGAIR MALCOM S. ) HIGH ENERGY ASTROPHYSICS 3RD ED. [CAMBRIDGE 2011]
(KIPPENHAHN R., WEIGERT A.) STELLAR STRUCTURE AND EVOLUTION [SPRINGER 1994]
(G.B. RYBICKI, A.P. LIGHTMAN) RADIATIVE PROCESSES IN ASTRIPHYSICS [WILEY]
(VIETRI M.) ASTROFISICA DELLE ALTE ENERGIE [BORINGHIERI]
(SHAPIRO S.L, TEUKOLSKY S.A.) BLACK HOLES, WHITE DWARFS AND NEUTRON STARS [WILEY]

Note di ricapitolazione Probabilita’ di transizione.
Approssimazione impulsiva.
Approssimazione adiabatica.
Regola d’oro di Fermi.
Sezioni d’urto integrali e differenziali (BJ 4.1, 4.2, 4.3, Appendice I)
Fenomenologia delle distribuzioni in energia ed angolo degli elettroni risultanti da eventi di fotoassorbimento e da impatto di particelle cariche in atomi, molecole, solidi.
Spettroscopie collisionali
La sezione d’urto di processi di collisione, sezioni d’urto integrali e differenziali (BJ appendice 2)
Diffusione di particelle da un potenziale rigido, il metodo delle onde parziali, shift di fase (BJ da 11.2 a 11.3 )
Equazione integrale dello scattering, prima approssimazione di Born (BJ 11.4, 11.5, 12.2), approssimazione di Wentzel.
LEED cinematico, lunghezza di coerenza (Lu da 4.1 a 4.2, 4.5) LEED dinamico (Lu 4.4, Panel VIII)
Eccitazione e ionizzazione per impatto elettronico, limite dipolare, EELS (BJ 12.3 e 12.4) Forza dell’oscillatore generalizzata Spettroscopie di perdita di energia di elettroni nei solidi, teoria dielettrica.
Scattering di volume, ( EELS) (Lu 4.5, 4.6.1, 4.8, Panel IX) Canali risonanti.
Interferenze fra canali del discreto e del continuo, profili di Fano (BJ 11.3)
Spettroscopie di fotoemissione e fotoassorbimento Assorbimento della radiazione elettromagnetica nella materia.
Funzione dielettrica di un sistema di oscillatori.
Scattering elastico ed inelastico della radiazione elettromagnetica (SM)
Operatore di interazione radiazione materia. Polarizzazione.
Approssimazione di dipolo elettrico, dipolo magnetico, quadrupolo elettrico.
Regole di selezione. (BJ 4.8, CM) Fotoemissione e fotoassorbimento: sezioni d’urto totali e differenziali, il punto di vista atomico (BJ 4.7, 4.8, )
Fenomenologia degli esperimenti di fotoassorbimento e fotoemissione (Hu 1, CL 1) EXAFS ( Lu Panel VII) e NEXAFS Interpretazione degli spettri di fotoemissione. Teorema di Koopmans, picchi satelliti, limite dell’interpretazione a particelle indipendenti.
Effetti a molti corpi.
Chemical shift (Lu 6.3.5, Hu 1.4,1.5,2.1,2.2)
Fotoemissione nei solidi, il modello a tre step. Esempi di applicazioni. La fotoemissione inversa (cenni) (Lu 6.3, per approfondimenti Hu 6) Fotoemissione risolta in angolo. Fotoemissione di valenza e struttura a bande. Fotoemissione di core, photoelectrondiffraction. Esempi di applicazioni (Lu 6 e Panel XI, Hu 7.1, 7.2, 7.3.1)
Cenni di microscopia a scansione a sonda ( STM, AFM, SNOM) (Lu Panel VI e appunti)

BJ B.H. Bransden, C.J. Joachain “Physics of Atoms and Molecules”, Longman Scientific and Technical, John Whiley and sons
CM C.M. Bertoni, Radiation-matter interaction: absorption, photoemission, scattering , in: “Synchrotron radiation: fundamentals, methodologies and applications”, S. Mobilio and G. Vlaic Eds.. SIF, Bologna (2003)
Lu H. Luth, “Surface and interface of solid materials”, Springer study edition, 1995
Hu S. Hufner, “Photoelectron spectroscopy”, Solid State Sciences Vol. 82, Springer, 1995
SM S. Mobilio, Interaction between radiation and matter: an introduction, in: “Synchrotron radiation: fundamentals, methodologies and applications”, S. Mobilio and G. Vlaic Eds.. SIF, Bologna (2003)

PROGRAMMA DELLE LEZIONI IN AULA (EQUIVALENTE A CIRCA 3
CFU) CENNI INTRODUTTIVI SUI RIVELATORI DI PARTICELLE – FISICA
DEI RIVELATORI UTILIZZATI NELL’ATTIVITA’ DI LABORATORIO (SCINTILLATORI PLASTICI, SCINTILLATORI LIQUIDI, RIVELATORI A
GAS,...) – CENNI SUI DISPOSITIVI ELETTRONICI NECESSARI PER
LA LETTURA DEI RIVELATORI, PER IL SISTEMA DI TRIGGER E IL
SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI – RICHIAMI DI
PROGRAMMAZIONE – RICHIAMI DI STATISTICA PER L’ANALISI DEI
DATI.
PROGRAMMA DELL’ATTIVITA’ IN LABORATORIO (EQUIVALENTE A
CIRCA 5 CFU)
• STIMA DELLA RISPOSTA DEI RIVELATORI UTILIZZATI – VERIFICA
DEL SEGNALE MISURATO – MESSA IN OPERA DEI RIVELATORI
• SET UP DELL’APPARATO – FORMAZIONE DEL TRIGGER
• SET UP DEL SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI E SVILUPPO DEL
SOFTWARE DI ANALISI
• MISURA DELLA GRANDEZZA PROPOSTA (VITA MEDIA DEL
MESONE MU E GRANDEZZE CORRELATE, SPETTRO
DELL’ELETTRONE DEL DECADIMENTO DEL MU, SPETTRO DEI
RAGGI COSMICI DURI, ...)
LO STUDENTE E’ CHIAMATO A SVOLGERE DA SOLO UNA PARTE
DELL’ATTIVITA’ SPERIMENTALE PROPOSTA IN MODO CHE POSSA
CONFRONTARSI DIRETTAMENTE CON LE PROBLEMATICHE DI
LABORATORIO. LA MISURA FINALE VERRA’ SVOLTA IN GRUPPO

W.R. Leo - Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiment - Springer-Verlag
W. Blum, L. Roland - Particle Detection with Drift Chambers - Springer-Verlag
T. Ferbel - Experimental Techniques in High-Energy Nuclear and Particle Physics
F. Sauli - Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers
I. Lombardo - Problemi di fisica nucleare e subnucleare - Zanichelli

Programma delle lezioni in aula

- Cenni introduttivi sui rivelatori di particelle
– fisica dei rivelatori utilizzati nell'attività di laboratorio (scintillatori plastici, scintillatori liquidi, rivelatori a gas,...)
– cenni sui dispositivi elettronici necessari per la lettura dei rivelatori, per il sistema di trigger e il sistema di acquisizione dati
– richiami di programmazione
– richiami di statistica per l’analisi dei dati.

Programma dell'attività in laboratorio (equivalente a circa 5 cfu)
• stima della risposta dei rivelatori utilizzati – verifica
del segnale misurato – messa in opera dei rivelatori
• set up dell’apparato – formazione del trigger
• set up del sistema di acquisizione dati e sviluppo del
software di analisi
• misura della grandezza proposta (vita media del mesone mu e grandezze correlate, spettro dell’elettrone del decadimento del mu, spettro dei raggi cosmici duri, ...)
lo studente è chiamato a svolgere da solo una parte dell'attività sperimentale proposta in modo che possa confrontarsi direttamente con le problematiche di laboratorio. la misura finale verrà svolta in gruppo

TESTI CONSIGLIATI:
W.R. Leo - Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiment - Springer-Verlag
W. Blum, L. Roland - Particle Detection with Drift Chambers - Springer-Verlag
T. Ferbel - Experimental Techniques in High-Energy Nuclear and Particle Physics
F. Sauli - Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers

vedi scheda del titolare del corso

vedi scheda del titolare del corso

Lezioni Introduttive:
Funzioni di Green, Diagrammi di Feynman, Esponenziazione dei diagrammi disconnessi, Stati IN e OUT, Matrice S, Matrice S in termini dei diagrammi di Feynman, Rappresentazione spettrale di Kaellen-Lehmann, Formula di riduzione LSZ.

Rinormalizzabilità:
Grado di Divergenza Superficiale dei Diagrammi, Teoria delle Perturbazioni Rinormalizzata, Equazione di Callan-Symanzik, Funzioni beta e gamma, Running coupling, Risommazione dei logaritmi leading.

Metodo degli Integrali Funzionali:
Introduzione al Formalismo degli Integrali Funzionali, Integrale Funzionale per una teoria di campo (Int. funz. per una teoria di campo scalare), Funzioni di correlazione in termini di integrali funzionali, Funzionale generatore, Regole di Feynman dall'Integrale Funzionale, Quantizzazione del Campo Elettromagnetico (Procedura di Faddeev-Popov), Quantizzazione di Teorie di Gauge Non-Abeliane, Ghosts.

Michael E. Peskin, Daniel V. Schroeder "An Introduction to Quantum Field Theory";
Franz Mandl, Graham Shaw "Quantum Field Theory".

§I. Teoria relativistica dei campi

Il gruppo di Poincaré. Simmetrie globali e simmetrie locali. Primo e secondo teorema di Noether e leggi di conservazione. I tensori canonici energia-impulso e momento angolare. Improvements. Argomento di Belinfante e tensore energia-impulso simmetrico. Simmetrie locali e grandezze conservate.

§II. La gravità come teoria di campo relativistica

Particelle e campi in Relatività Speciale. Rappresentazioni irriducibili del gruppo di Poincaré: metodo delle rappresentazioni indotte. Particelle a massa nulla: ISO(D-2) gruppo di stabilità e invarianza di gauge. Ricostruzione della Relatività Generale. Lagrangiana di Fierz-Pauli. Metodo di Nöther e costruzione perturbativa dei vertici. Costruzione di Nöther della lagrangiana di Yang-Mills. Il vertice cubico gravitazionale trasverso e traceless. Principio di Equivalenza di Weinberg dall'invarianza relativistica della matrice S. Spin e segno delle forze statiche.

§III. Elementi di geometria differenziale

Spazi topologici. Varietà. Diffeomorfismi. Spazi tangenti e vettori. Basi coordinate. Operatori derivativi su varietà. Connessione di Levi-Civita. Torsione. Forme differenziali: definizione, prodotto esterno, derivate ​​interna ed esterna duale di Hodge. Derivata di Lie e formula di Cartan. Teoria di Yang-Mills nel linguaggio delle forme. Tensore di Weyl. Tensori di Riemann e Weyl in varie dimensioni: conteggio delle componenti per irreps di GL(D). Trasformazioni conformi del tensore metrico. Spazi conformemente piatti. Campi scalari accoppiati in modo conforme.

§IV. Formulazione di Cartan-Weyl e accoppiamento minimale di fermioni alla gravità

Sistemi inerziali locali. Il vielbein. Trasformazioni di Lorentz locali. La connessione di spin. Il postulato del vielbein. Vincolo di torsione e formulazione del secondo ordine. Contorsione. Curvatura di Lorentz. Gravità come teoria di gauge dell'algebra di Poincaré. Connessione sull'algebra di Poincaré. Trasformazioni di Poincaré locali. Torsione e curvatura sull'algebra di Poincaré. Formulazione del primo ordine e azione di Cartan-Weyl. Relazione tra trasformazioni di gauge e diffeomorfismi. Spinori su varietà curve. Materia fermionica minimamente accoppiata. Lagrangiana di Dirac.

§V. Spazi massimamente simmetrici

Spazi omogenei e isotropi. Caratterizzazione di spazi massimamente simmetrici: costante di curvatura e segnatura. MSS come soluzioni di vuoto delle equazioni di Einstein con costante cosmologica. Costruzione da immersione in spazi pseudolorentziani in dimensione D+1: metrica e coefficienti di Christoffel.

§ VI. Il buco nero di Schwarzschild

Spazi a simmetria sferica. La soluzione di Schwarzschild. Il teorema di Birkhoff. Singolarità, definizioni e criteri: singolarità di curvatura e incompletezza geodetica. Caduta libera verso l'orizzonte. Le coordinate della tartaruga. Estensione di uno spazio-tempo. Coordinate di Eddington-Finkelstein. Orizzonte degli eventi, buchi neri e buchi bianchi. Coordinate di Kruskal-Szekeres. Estensione massimale della soluzione di Schwarzschild. Diagramma di Kruskal e buchi neri eterni. (A)dS-Schwarzschild.

§ VII. Buchi neri più generali

Diagrammi conformi. Orizzonti degli eventi. Buchi neri di Reissner-Nordström e di Kerr. Termodinamica dei buchi neri.

§ VII. Energia gravitazionale

Grandezze conservate nelle teorie di gauge: l'esempio della teoria di Yang-Mills. Conservazione covariante e conservazione ordinaria. Equazioni di Einstein-Hilbert per metriche asintoticamente piatte. Il tensore energia-impulso gravitazionale. Il superpotenziale. Energia e quantità di moto nella formulazione ADM. Esempio: energia ADM della soluzione di Schwarzschild. Il teorema dell'energia positiva (senza dimostrazione). Background generico con vettori di Killing. Radiazione di quadrupolo.

§VIII. Simmetrie asintotiche

Nozione generale di gruppo di simmetria asintotica. L'esempio della teoria di Maxwell nello spazio piatto. Formalismo dello spazio delle fasi covariante. Spaziotempo asintoticamente piatto e supertraslazioni di Bondi-van der Burg-Metzner-Sachs. Applicazioni: teoremi soffici ed effetti memoria.

Nota: alcuni argomenti possono essere assegnati come problemi, come alternativa all'esame orale

-Carroll S, Spacetime and Geometry: An Introduction to General Relativity (Addison-Wesley 2014/Cambridge University Press, 2019)
-Wald R, General Relativity (The University of Chicago Press, 1984)
-Weinberg S, Gravitation and Cosmology - principles and applications of the general theory of relativity, (John Wiley \& Sons, 1972)

§I. Teoria relativistica dei campi

Il gruppo di Poincaré. Simmetrie globali e simmetrie locali. Primo e secondo teorema di Noether e leggi di conservazione. I tensori canonici energia-impulso e momento angolare. Improvements. Argomento di Belinfante e tensore energia-impulso simmetrico. Simmetrie locali e grandezze conservate.

§II. La gravità come teoria di campo relativistica

Particelle e campi in Relatività Speciale. Rappresentazioni irriducibili del gruppo di Poincaré: metodo delle rappresentazioni indotte. Particelle a massa nulla: ISO(D-2) gruppo di stabilità e invarianza di gauge. Ricostruzione della Relatività Generale. Lagrangiana di Fierz-Pauli. Metodo di Nöther e costruzione perturbativa dei vertici. Costruzione di Nöther della lagrangiana di Yang-Mills. Il vertice cubico gravitazionale trasverso e traceless. Principio di Equivalenza di Weinberg dall'invarianza relativistica della matrice S. Spin e segno delle forze statiche.

§III. Elementi di geometria differenziale

Spazi topologici. Varietà. Diffeomorfismi. Spazi tangenti e vettori. Basi coordinate. Operatori derivativi su varietà. Connessione di Levi-Civita. Torsione. Forme differenziali: definizione, prodotto esterno, derivate ​​interna ed esterna duale di Hodge. Derivata di Lie e formula di Cartan. Teoria di Yang-Mills nel linguaggio delle forme. Tensore di Weyl. Tensori di Riemann e Weyl in varie dimensioni: conteggio delle componenti per irreps di GL(D). Trasformazioni conformi del tensore metrico. Spazi conformemente piatti. Campi scalari accoppiati in modo conforme.

§IV. Formulazione di Cartan-Weyl e accoppiamento minimale di fermioni alla gravità

Sistemi inerziali locali. Il vielbein. Trasformazioni di Lorentz locali. La connessione di spin. Il postulato del vielbein. Vincolo di torsione e formulazione del secondo ordine. Contorsione. Curvatura di Lorentz. Gravità come teoria di gauge dell'algebra di Poincaré. Connessione sull'algebra di Poincaré. Trasformazioni di Poincaré locali. Torsione e curvatura sull'algebra di Poincaré. Formulazione del primo ordine e azione di Cartan-Weyl. Relazione tra trasformazioni di gauge e diffeomorfismi. Spinori su varietà curve. Materia fermionica minimamente accoppiata. Lagrangiana di Dirac.

§V. Spazi massimamente simmetrici

Spazi omogenei e isotropi. Caratterizzazione di spazi massimamente simmetrici: costante di curvatura e segnatura. MSS come soluzioni di vuoto delle equazioni di Einstein con costante cosmologica. Costruzione da immersione in spazi pseudolorentziani in dimensione D+1: metrica e coefficienti di Christoffel.

§ VI. Il buco nero di Schwarzschild

Spazi a simmetria sferica. La soluzione di Schwarzschild. Il teorema di Birkhoff. Singolarità, definizioni e criteri: singolarità di curvatura e incompletezza geodetica. Caduta libera verso l'orizzonte. Le coordinate della tartaruga. Estensione di uno spazio-tempo. Coordinate di Eddington-Finkelstein. Orizzonte degli eventi, buchi neri e buchi bianchi. Coordinate di Kruskal-Szekeres. Estensione massimale della soluzione di Schwarzschild. Diagramma di Kruskal e buchi neri eterni. (A)dS-Schwarzschild.

§ VII. Buchi neri più generali

Diagrammi conformi. Orizzonti degli eventi. Buchi neri di Reissner-Nordström e di Kerr. Termodinamica dei buchi neri.

§ VII. Energia gravitazionale

Grandezze conservate nelle teorie di gauge: l'esempio della teoria di Yang-Mills. Conservazione covariante e conservazione ordinaria. Equazioni di Einstein-Hilbert per metriche asintoticamente piatte. Il tensore energia-impulso gravitazionale. Il superpotenziale. Energia e quantità di moto nella formulazione ADM. Esempio: energia ADM della soluzione di Schwarzschild. Il teorema dell'energia positiva (senza dimostrazione). Background generico con vettori di Killing. Radiazione di quadrupolo.

§VIII. Simmetrie asintotiche

Nozione generale di gruppo di simmetria asintotica. L'esempio della teoria di Maxwell nello spazio piatto. Formalismo dello spazio delle fasi covariante. Spaziotempo asintoticamente piatto e supertraslazioni di Bondi-van der Burg-Metzner-Sachs. Applicazioni: teoremi soffici ed effetti memoria.

Nota: alcuni argomenti possono essere assegnati come problemi, come alternativa all'esame orale

-Carroll S, Spacetime and Geometry: An Introduction to General Relativity (Addison-Wesley 2014/Cambridge University Press, 2019)
-Wald R, General Relativity (The University of Chicago Press, 1984)
-Weinberg S, Gravitation and Cosmology - principles and applications of the general theory of relativity, (John Wiley \& Sons, 1972)

Programma I modulo (6 CFU)

Richiami di termodinamica.
Potenziali termodinamici.
Transizioni di fase ed equazione di Van der Waals.
Fluttuazioni e stabilità.
Transizioni di fase e limite termodinamico.
Derivazione microscopica dell'equazione di Van der Waals.
Comportamento al punto critico dell'equazione di Van der Waals.
Teoria di Curie-Weiss del ferromagnetismo.
Teoria di Landau delle transizioni di seconda specie.
Criterio di Ginzburg per la validità della teoria di campo medio.
Il ruolo della simmetria e della dimensionalità: il teorema di Mermin-Wagner.
Gruppo di rinormalizzazione.
Trasformazione di Kadanoff-Wilson.
Calcolo dei punti fissi per il modello di Landau-Wilson e sviluppo in epsilon.

Programma II modulo (2 CFU)

Vetri di spin
Metodi per il calcolo di energia libera.
Tecniche avanzate per la simulazione di eventi rari.

Statistical Mechanics and Applications in Condensed Matter
by Carlo Di Castro and Roberto Raimondi
Cambridge University Press 2015
ISBN: 9781107039407

1 - Richiami di Termodinamica e Meccanica Statistica.
Funzioni termodinamiche estensive ed intensive. Condizioni di equilibrio.
Trasformate di Legendre e potenziali termodinamici. Condizioni di stabilità delle fasi.
Transizioni di fase e loro classificazione. Equazione di Van der Waals. Richiami della teoria degli ensembles statistici. Fluttuazioni.

2 - Forze fra atomi e ordine a corto raggio.
Caratterizzazione dello stato liquido della materia. Caratterizzazione dei materiali soffici.
Forze fra atomi e potenziali efficaci. Funzioni di distribuzione nel canonico e nel gran canonico.
Funzione di distribuzione radiale e relazione con la termodinamica.
Il fattore di struttura statico. Misura della struttura di un liquido con tecniche di scattering di raggi X e di neutroni. Fattori di struttura e funzioni di distribuzione radiale di miscele liquide e liquidi molecolari. Teoria del funzionale densità classico. Equazione di Ornstein-Zernike.
Relazioni di chiusura per il funzionale di densità.

3 - Simulazione numerica di material liquida e soffice

Metodi di simulazione stocastici e deterministici. Metodo della Dinamica Molecolare. Algoritmi alla Verlet.
Dinamica molecolare a temperatura e a pressione costante. Il metodo di simulazione Monte Carlo.
Simulazione Monte Carlo in diversi ensemble. Metodi di simulazione di equilibrio delle fasi. Applicazione dei metodi Monte Carlo e Dinamica Molecolare ai liquidi complessi e ai materiali soffici.


4 - Dinamica dei liquidi e della materia soffice
Funzioni di correlazione dipendenti dal tempo. Diffusione anelastica dei neutroni e misura del fattore di struttura dinamico. Funzioni di correlazione di Van Hove. Principio del bilancio dettagliato.
Teoria della risposta lineare. Funzione risposta. Teorema di fluttuazione-dissipazione. Diffusione delle particelle.
Coefficiente di diffusione. Funzione di correlazione delle velocità. Idrodinamica e modi collettivi. Scattering Brillouin.
Funzioni memoria.

5 - Stati metastabili, liquidi sottoraffreddati e transizione vetrosa per liquidi e materiali soffici.

Stabilità e metastabilità. Curva spinodale dall'equazione di Van der Waals. Fluttuazioni e andamenti delle funzioni di correlazione vicino al punto critico. Liquidi sottoraffreddati e transizione vetrosa. Diagramma di Angell. Entropia configurazionale e temperatura di Kauzmann. La dinamica lenta dei liquidi sottorraffreddati e della materia soffice e la teoria di Mode Coupling.

J.P. Hansen and I.R. McDonald, Theory of Simple Liquids, seconda edizione, Academic Press.
N. H. March and M. P. Tosi, Introduction to Liquid State Physics, World Scientific.
P. G. Debenedetti, Metastable Liquids, Princeton University Press.

Programma:

1. Principi di invarianza e leggi di conservazione.
2. simmetrie discrete e continue;
3. equazioni relativistiche: Klein-Gordon, Dirac
4. soluioni ad energia negativa, elicità, spin, soluzioni per massa nulla, i neutrini
5. teoria delle perturbazioni relativistica, hamiltoniana di interazione, grafici di Feynman, propagatore come funzione di Green;
6. trasformazioni di Lorentz, sistema di laboratorio e del centro di massa, massa invariante, cinematica delle reazioni, soglia di reazione;
7. campi di interazione, modello di Yukawa;
8. raggi cosmici prmiari e secondari, il muone: decadimento, massa e vita media;
9. cinematica dei decadimenti, combinazione dei momenti angolari, coefficienti di Clebsch-Gordan, simmetria dell'isospin;
10. larghezze di decadimento e confronto tra elementi di matrice, leggi di conservazione;
11. densità dello spazione della fasi, sezione d'urto di Scattering, fattori di flusso, fattore dello spazioe delle fasi invariante, elementi di matrice di scattering;
12. il pione: carica, spin, parità, coniugazione di carica, isospin;
13. particelle strane, iperoni, interazione dei mesoni K;
14: barioni strani, ottetti mesonici e barionici, simmetria SU(3), ipercarica, diagrammi di Young;
15: scoperta dell'anti-protone, gli anti-barioni, la risonanza Delta;
16: risonanze adroniche e mesoniche, modella a Quarks;
17: rappresentazione del mesoni nel modello a quarks
18: scattering da potenziale, soluzione dell'equazione di Schroedingher per onde sferiche;
19: sezione d'urto di diffusione e assorbimento, limite di unitarietà, teorema ottico;
20: sezione d'urto risonante, formula di Breit-Wigner, masse dei barioni con formula di Gell-Man Okubo;
21: il numero quantico di colore, rappresentazioni SU(3) di colore, relazioni tra spin e multipletti di SU(3);
22: l'interazione debole, violazione della parità, esperimento di madame Wu;
23: oscillazione dei mesoni K, l'angolo di Cabibbo, il meccanismo GIM;
23: scoperta dei quark charm e beauty;
24: decadimento dei mesoni D e B, diagrammi di Feynman, relazioni di isospin;
25: fasci di neutrini, sapore dei neutrini, scoperta del neutrino tau;
25: le macchine acceleratrici e+ e-, sezione d'urto di produzione adronica, il rapporto R e il numero di quarks e colori;
26: misura dell'elicità del neutrino, scoperta dell'anti-neutrino;
27: deep inelastic scattering, funzioni di distribuzione partoniche;
27: collisori adronici, protone-anti-protone e protone-protone: scoperta dei bosoni W e Z;
28: il bosone di Higgs

1. dispense del corso, reperibili sul sito del corso;
2. F. Halzen, A. D. Martin, "An Introductory Course in Modern Particle Physics"
3. D. Scroeder, M. Peskin, "An Introduction to Quantum Field Theory"
4. S. Weinberg, "The Quantum Theory of Fields"

Relatività ristretta ed elettromagnetismo
Richiami di relatività ristretta: trasformazioni di Lorentz, addizione delle velocità,
aberrazione della luce. Rappresentazione grafica di Minkowski: classificazione degli in-
tervalli, dilatazione dei tempi, contrazione delle lunghezze, causalità. Caratterizzazione
completa delle trasformazioni delle coordinate che lasciano invariato l'intervallo spazio-
temporale pseudoeuclideo: gruppo di Poincarè, gruppo di Lorentz e loro struttura.
Elementi di calcolo quadritensoriale: scalari, vettori controvarianti, vettori covarianti,
tensori, pseudotensori, prodotto scalare, contrazioni tensoriali. Legge di trasformazione
dei campi, quadrigradiente.
Elementi di meccanica relativistica: quadrivelocità, quadriaccelerazione, quadrimpul-
so, quadrivettore forza e legge della potenza.
Formulazione covariante dell'equazione di Lorentz e tensore del campo elettromagne-
tico. Proprietà di trasformazione dei campi elettrico e magnetico. Formulazione covarian-
te delle equazioni di Maxwell. Potenziale vettore, potenziale scalare, quadripotenziale.
Equazioni di Maxwell in termini del quadripotenziale. Invarianza di gauge. Invarianti del
campo elettromagnetico. Campo creato da una carica in moto uniforme: derivazione dal
campo elettrostatico mediante una trasformazione di Lorentz.
Bilancio energetico nel formalismo trivettoriale: densità di energia, vettore di Poynting.
Bilancio energetico nel formalismo covariante: tensore energia ed impulso. Leggi di
conservazione: conservazione del quadrimpulso totale e tensore degli sforzi di Maxwell.
Conservazione del momento angolare totale.
Equazioni di Maxwell nel vuoto per il quadripotenziale nella gauge di Lorentz e loro
soluzione generale. Soluzioni di tipo onda piana delle equazioni di Maxwell nel vuoto e
loro proprietà. Densità e flusso di energia di un'onda piana. Pressione della radiazione.
Formulazione covariante della polarizzazione.
Equazione per il quadripotenziale in presenza di sorgenti. Funzione di Green. Poten-
ziali e campi di Lienard e Wiechert. Potenza irradiata in approssimazione non relativistica
e relativistica. Sezione d'urto Thomson. Effetto Compton. Effetto Cerenkov.

Meccanica quantistica relativistica.
Equazione di Dirac. Covarianza dell'equazione. Limite non relativistico. Covarianti
bilineari. Soluzioni dell'equazione di Dirac. Proiettori per le soluzioni ad energia positiva
e negativa. Elicità e chiralità.

Teoria dei campi quantizzati
Il campo elettromagnetico libero come insieme di oscillatori armonici. Quantizzazione
del campo in gauge di radiazione . Operatori di creazione ed annichilazione.
Richiami di meccanica quantistica: oscillatore armonico, rappresentazione di Heisen-
berg, operatore di evoluzione temporale, prodotto cronologico.
Formalismo lagrangiano dal discreto al continuo. Quantizzazione del campo. Com-
mutatori canonici. Simmetrie e teorema della Noether. Invarianza per traslazioni spazio-
temporali. Tensore energia-impulso. Simmetrie interne. Lagrangiano del campo scalare reale e complesso,
sua quantizzazione. Prodotti ordinati. Invarianza globale e
locale. Lagrangiano del campo di Dirac. Quantizzazione. Anticommutatori canonici.
Quantizzazione del campo elettromagnetico.
La rappresentazione di interazione. Matrice S. Sviluppo perturbativo della matrice S.
Teorema di Wick. Commutatori dei campi bosonici e fermionici a tempi arbitrari.
Propagatori per il campo scalare e di Dirac. Propagatore del fotone.
Introduzione alle regole di Feynman. Regole di Feynman in QED. Sezione d'urto.
Processi ad ordine albero: e+e- - mu+ mu- , diffusione in campo esterno.

V. Barone: Relatività, Bollati Boringhieri.
F. Mandl, G. Shaw: Quantum Field Theory, John Wiley & Sons.

Panoramica sulla materia condensata. Descrizione geometrica dei cristalli: reticoli diretti, reticoli reciproci e zona di Brillouin.
Scattering di particelle da cristalli: raggi x, elettroni e neutroni. Quasicristalli. Classificazione dei solidi cristallini e legami.
Approssimazione adiabatica di Born-Oppenheimer. Dinamica vibrazionale del reticolo cristallino, fononi. Calori specifici vibrazionali di Einstein e Debye e calore specifico elettronico. Elettroni in potenziali periodici: il teorema di Bloch. Teoria dell'elettrone libero nei metalli. L'Hamiltoniano a multielettroni e approssimazioni ad elettrone singolo: equazioni di Hartee e Hartee-Fock. Teoria a bande dei cristalli: metodo del Tight Binding, approssimazione dell'elettrone quasi libero. Proprieta' elettroniche di cristalli rilevanti. Trasporto nei metalli.
Semiconduttori intrinseci e drogati e trasporto. Giunzione p-n. Superconduttivita'.

TESTO PRINCIPALE:
Giuseppe Grosso and Giuseppe Pastori Parravicini Solid State Physics Academic Press

ALTRI TESTI UTILIZZATI:
Neil W. Ashcroft N. David Mermin Solid State Physics Saunders College
Charles Kittel Introduzione alla Fisica Dello Stato Solido Casa Editrice Ambrosiana

APPUNTI, PRESENTAZIONI E ESERCIZI sono pubblicati sul sito del corso
http://webusers.fis.uniroma3.it/~gallop/

Teoria dei Gruppi (CA)

SU(2) e SU(3)

La forma di Killing

Algebre di Lie semplici

Rappresentazioni

Radici semplici e la matrice di Cartan

Le algebre "classiche"

Le algebbre "eccezionali"

Operatore di Casimir e la formula di Freudenthal

Il gruppo di Weyl

La formula della dimensione di Weyl

Riduzione del prodotto di rappresentazioni

Sub-algebre

Regole di decomposizione

Metodi Numerici

Probabilità e variabili random

Richiami su Misure, inceretezze e loro propagazione

Richiami su Fit di una curva, minimi quadrati, ottimizzazione

Integrazione numerica classica, velocità di convergenza

Integrazione MC, media e varianza

Strategie di campionamento

Applicazioni

Propagazione delle incertezze Note

Generazione di dati secondo una distribuzione

Corrispondenza tra argomenti e sezioni dei libri su http://webusers.fis.uniroma3.it/franceschini/cmm.html

Robert Cahn - Semi-Simple Lie Algebras and Their Representations - Dover Publications 2014 (disponibile presso Roma TRE BAST Sede Centrale e presso la pagina dell'autore )

Weinzierl, S. - Introduction to Monte Carlo methods arXiv:hep-ph/0006269

Taylor, J. - An introduction to error analysis - University Science Books Sausalito, California Disponibile nella biblioteca Scientifica di Roma Tre

Dubi, A. - Monte Carlo applications in systems engineering - Wiley Disponibile nella biblioteca Scientifica di Roma Tre

materiale fornito a lezione ed elencato sul web http://webusers.fis.uniroma3.it/franceschini/cmm.html

§I. Introduzione: inerzia e covarianza

Relatività Galileiana e Relatività Speciale. Il principio di equivalenza. Motivazioni per la covarianza generale. Sistemi inerziali locali.

§II. Spaziotempo dinamico: fondamenti della Relatività Generale

Coordinate curvilinee. Vettori e tensori sotto trasformazioni generali di coordinate. Trasporto parallelo e simboli di Christoffel. Derivate covarianti e compatibilità metrica. Vettori covariantemente conservati e densità vettoriali conservate. Trasformazione dei simboli di Christoffel. Il teorema di Ricci. Geodetiche e loro limite newtoniano. Curve tipo-spazio, tipo-tempo e tipo-luce. Coordinate normali e sistemi inerziali locali. Derivazione covariante lungo una curva. Tensore di curvatura di Riemann. Proprietà algebriche. Identità Bianchi. Sistemi inerziali locali. Caratterizzazione degli spazi piatti. Deviazione geodetica. Azione di Einstein-Hilbert ed equazioni del moto. L'identità di Palatini. Accoppiamento minimale a campi scalari ed elettromagnetici.

§III. Approssimazione lineare e onde gravitazionali

Motivazioni. Fluttuazioni dello spazio-tempo piatto: tensore di Riemann linearizzato e sua invarianza di gauge abeliana. Equazioni del moto: gauge di de Donder e onde gravitazionali. Confronto con la teoria di Maxwell.

§IV. Isometrie e spazi massimamente simmetrici

Simmetrie di tensori: invarianza di forma. Equazioni di Killing. Condizione di integrabilità e numero massimo di isometrie. La derivata di Lie. Vettori di Killing e leggi di conservazione. L'esempio dello spazio di Minkowski. Isometrie traslazionali.

§V. La soluzione di Schwarschild

Metrica di Schwarzschild. Simmetria sferica e teorema di Birkhoff (senza dimostrazione). Vettori di Killingdella metrica di Schwarzschild. Redshift gravitazionale.

-Carroll S Spacetime and Geometry: An Introduction to General Relativity (Addison-Wesley 2014/Cambridge University Press, 2019)
-Dirac P A M General Theory of Relativity (Princeton University Press, 1996)
-Hartle S Gravity: An Introduction to Einstein's General Relativity (Cambridge University Press, 2021)
-Rovelli C, General Relativity - the Essentials, (Cambridge University Press, 2021).
-Weinberg S, Gravitation and Cosmology - principles and applications of the general theory of relativity, (John Wiley \& Sons, 1972).

1. I Diagrammi di Feynman, processi ad ordine albero, simmetrie discrete
Richiami sui diagrammi di Feynman ed il calcolo delle sezioni d'urto.
Processi ad ordine albero: diffusione Bhabha, effetto Compton. Invarianza di gauge per la somma di diagrammi in QED. Rappresentazione chirale e di Majorana per le matrici di Dirac.
Parità, coniugazione di carica, teorema di Furry, inversione temporale.

2. Correzioni Radiative
Comportamento divergente di un integrale. Grado di divergenza di un diagramma.
Teorie rinormalizzabili. Regolarizzazione alla Pauli-Villars. Calcolo dell'autoenergia di una particella scalare ad una loop e divergenze quadratiche. Rinormalizzazione di massa, funzione d'onda, vertice. Autoenergia dell'elettrone.
QED
Identità di Ward. Identità di Gordon. Regolarizzazione dimensionale. Calcolo ad una loop della polarizzazione del vuoto, Lamb shift, discussione qualitativa sul running delle costante di accoppiamento. Vertice in QED, momento magnetico anomalo dell'elettrone. Bremsstrahlung, divergenze infrarosse e loro cancellazione tra diagrammi reali e virtuali.

3. Teorie di Gauge Non Abeliane
Lagrangiano di Yang-Mills. Cromodinamica quantistica. Vertici a 3 e 4 gluoni.
Propagatore di un bosone di gauge in una gauge arbitraria. Invarianza di gauge in teorie non abeliane. Running delle costante di accoppiamento forte, libertà asintotica.
Interazioni deboli.
Teoria di Fermi e bosone vettoriale intermedio. Propagatore del W.
Decadimento del muone. Lagrangiano del Modello Standard. Angolo di mescolamento elettrodebole. Rottura spontanea della simmetria. Meccanismo di Higgs. Masse dei bosoni intermedi e dei fermioni. Matrice di mescolamento di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa

F. Mandl, G. Shaw: Quantum Field Theory, ed. John Wiley & Sons;
M. Peskin, D. Shroeder: An Introduction to Quantum Field Theory, ed. Frontiers in
Physics

1. I Diagrammi di Feynman, processi ad ordine albero, simmetrie discrete
Richiami sui diagrammi di Feynman ed il calcolo delle sezioni d'urto.
Processi ad ordine albero: diffusione Bhabha, effetto Compton. Invarianza di gauge per la somma di diagrammi in QED. Rappresentazione chirale e di Majorana per le matrici di Dirac.
Parità, coniugazione di carica, teorema di Furry, inversione temporale.

2. Correzioni Radiative
Comportamento divergente di un integrale. Grado di divergenza di un diagramma.
Teorie rinormalizzabili. Regolarizzazione alla Pauli-Villars. Calcolo dell'autoenergia di una particella scalare ad una loop e divergenze quadratiche. Rinormalizzazione di massa, funzione d'onda, vertice. Autoenergia dell'elettrone.
QED
Identità di Ward. Identità di Gordon. Regolarizzazione dimensionale. Calcolo ad una loop della polarizzazione del vuoto, Lamb shift, discussione qualitativa sul running delle costante di accoppiamento. Vertice in QED, momento magnetico anomalo dell'elettrone. Bremsstrahlung, divergenze infrarosse e loro cancellazione tra diagrammi reali e virtuali.

3. Teorie di Gauge Non Abeliane
Lagrangiano di Yang-Mills. Cromodinamica quantistica. Vertici a 3 e 4 gluoni.
Propagatore di un bosone di gauge in una gauge arbitraria. Invarianza di gauge in teorie non abeliane. Running delle costante di accoppiamento forte, libertà asintotica.
Interazioni deboli.
Teoria di Fermi e bosone vettoriale intermedio. Propagatore del W.
Decadimento del muone. Lagrangiano del Modello Standard. Angolo di mescolamento elettrodebole. Rottura spontanea della simmetria. Meccanismo di Higgs. Masse dei bosoni intermedi e dei fermioni. Matrice di mescolamento di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa

F. Mandl, G. Shaw: Quantum Field Theory, ed. John Wiley & Sons;
M. Peskin, D. Shroeder: An Introduction to Quantum Field Theory, ed. Frontiers in
Physics

Programma:

1. Principi di invarianza e leggi di conservazione.
2. simmetrie discrete e continue;
3. equazioni relativistiche: Klein-Gordon, Dirac
4. soluioni ad energia negativa, elicità, spin, soluzioni per massa nulla, i neutrini
5. teoria delle perturbazioni relativistica, hamiltoniana di interazione, grafici di Feynman, propagatore come funzione di Green;
6. trasformazioni di Lorentz, sistema di laboratorio e del centro di massa, massa invariante, cinematica delle reazioni, soglia di reazione;
7. campi di interazione, modello di Yukawa;
8. raggi cosmici prmiari e secondari, il muone: decadimento, massa e vita media;
9. cinematica dei decadimenti, combinazione dei momenti angolari, coefficienti di Clebsch-Gordan, simmetria dell'isospin;
10. larghezze di decadimento e confronto tra elementi di matrice, leggi di conservazione;
11. densità dello spazione della fasi, sezione d'urto di Scattering, fattori di flusso, fattore dello spazioe delle fasi invariante, elementi di matrice di scattering;
12. il pione: carica, spin, parità, coniugazione di carica, isospin;
13. particelle strane, iperoni, interazione dei mesoni K;
14: barioni strani, ottetti mesonici e barionici, simmetria SU(3), ipercarica, diagrammi di Young;
15: scoperta dell'anti-protone, gli anti-barioni, la risonanza Delta;
16: risonanze adroniche e mesoniche, modella a Quarks;
17: rappresentazione del mesoni nel modello a quarks
18: scattering da potenziale, soluzione dell'equazione di Schroedingher per onde sferiche;
19: sezione d'urto di diffusione e assorbimento, limite di unitarietà, teorema ottico;
20: sezione d'urto risonante, formula di Breit-Wigner, masse dei barioni con formula di Gell-Man Okubo;
21: il numero quantico di colore, rappresentazioni SU(3) di colore, relazioni tra spin e multipletti di SU(3);
22: l'interazione debole, violazione della parità, esperimento di madame Wu;
23: oscillazione dei mesoni K, l'angolo di Cabibbo, il meccanismo GIM;
23: scoperta dei quark charm e beauty;
24: decadimento dei mesoni D e B, diagrammi di Feynman, relazioni di isospin;
25: fasci di neutrini, sapore dei neutrini, scoperta del neutrino tau;
25: le macchine acceleratrici e+ e-, sezione d'urto di produzione adronica, il rapporto R e il numero di quarks e colori;
26: misura dell'elicità del neutrino, scoperta dell'anti-neutrino;
27: deep inelastic scattering, funzioni di distribuzione partoniche;
27: collisori adronici, protone-anti-protone e protone-protone: scoperta dei bosoni W e Z;
28: il bosone di Higgs

1. dispense del corso, reperibili sul sito del corso;
2. F. Halzen, A. D. Martin, "An Introductory Course in Modern Particle Physics"
3. D. Scroeder, M. Peskin, "An Introduction to Quantum Field Theory"
4. S. Weinberg, "The Quantum Theory of Fields"

Relatività ristretta ed elettromagnetismo
Richiami di relatività ristretta: trasformazioni di Lorentz, addizione delle velocità,
aberrazione della luce. Rappresentazione grafica di Minkowski: classificazione degli in-
tervalli, dilatazione dei tempi, contrazione delle lunghezze, causalità. Caratterizzazione
completa delle trasformazioni delle coordinate che lasciano invariato l'intervallo spazio-
temporale pseudoeuclideo: gruppo di Poincarè, gruppo di Lorentz e loro struttura.
Elementi di calcolo quadritensoriale: scalari, vettori controvarianti, vettori covarianti,
tensori, pseudotensori, prodotto scalare, contrazioni tensoriali. Legge di trasformazione
dei campi, quadrigradiente.
Elementi di meccanica relativistica: quadrivelocità, quadriaccelerazione, quadrimpul-
so, quadrivettore forza e legge della potenza.
Formulazione covariante dell'equazione di Lorentz e tensore del campo elettromagne-
tico. Proprietà di trasformazione dei campi elettrico e magnetico. Formulazione covarian-
te delle equazioni di Maxwell. Potenziale vettore, potenziale scalare, quadripotenziale.
Equazioni di Maxwell in termini del quadripotenziale. Invarianza di gauge. Invarianti del
campo elettromagnetico. Campo creato da una carica in moto uniforme: derivazione dal
campo elettrostatico mediante una trasformazione di Lorentz.
Bilancio energetico nel formalismo trivettoriale: densità di energia, vettore di Poynting.
Bilancio energetico nel formalismo covariante: tensore energia ed impulso. Leggi di
conservazione: conservazione del quadrimpulso totale e tensore degli sforzi di Maxwell.
Conservazione del momento angolare totale.
Equazioni di Maxwell nel vuoto per il quadripotenziale nella gauge di Lorentz e loro
soluzione generale. Soluzioni di tipo onda piana delle equazioni di Maxwell nel vuoto e
loro proprietà. Densità e flusso di energia di un'onda piana. Pressione della radiazione.
Formulazione covariante della polarizzazione.
Equazione per il quadripotenziale in presenza di sorgenti. Funzione di Green. Poten-
ziali e campi di Lienard e Wiechert. Potenza irradiata in approssimazione non relativistica
e relativistica. Sezione d'urto Thomson. Effetto Compton. Effetto Cerenkov.

Meccanica quantistica relativistica.
Equazione di Dirac. Covarianza dell'equazione. Limite non relativistico. Covarianti
bilineari. Soluzioni dell'equazione di Dirac. Proiettori per le soluzioni ad energia positiva
e negativa. Elicità e chiralità.

Teoria dei campi quantizzati
Il campo elettromagnetico libero come insieme di oscillatori armonici. Quantizzazione
del campo in gauge di radiazione . Operatori di creazione ed annichilazione.
Richiami di meccanica quantistica: oscillatore armonico, rappresentazione di Heisen-
berg, operatore di evoluzione temporale, prodotto cronologico.
Formalismo lagrangiano dal discreto al continuo. Quantizzazione del campo. Com-
mutatori canonici. Simmetrie e teorema della Noether. Invarianza per traslazioni spazio-
temporali. Tensore energia-impulso. Simmetrie interne. Lagrangiano del campo scalare reale e complesso,
sua quantizzazione. Prodotti ordinati. Invarianza globale e
locale. Lagrangiano del campo di Dirac. Quantizzazione. Anticommutatori canonici.
Quantizzazione del campo elettromagnetico.
La rappresentazione di interazione. Matrice S. Sviluppo perturbativo della matrice S.
Teorema di Wick. Commutatori dei campi bosonici e fermionici a tempi arbitrari.
Propagatori per il campo scalare e di Dirac. Propagatore del fotone.
Introduzione alle regole di Feynman. Regole di Feynman in QED. Sezione d'urto.
Processi ad ordine albero: e+e- - mu+ mu- , diffusione in campo esterno.

V. Barone: Relatività, Bollati Boringhieri.
F. Mandl, G. Shaw: Quantum Field Theory, John Wiley & Sons.

Panoramica sulla materia condensata. Descrizione geometrica dei cristalli: reticoli diretti, reticoli reciproci e zona di Brillouin.
Scattering di particelle da cristalli: raggi x, elettroni e neutroni. Quasicristalli. Classificazione dei solidi cristallini e legami.
Approssimazione adiabatica di Born-Oppenheimer. Dinamica vibrazionale del reticolo cristallino, fononi. Calori specifici vibrazionali di Einstein e Debye e calore specifico elettronico. Elettroni in potenziali periodici: il teorema di Bloch. Teoria dell'elettrone libero nei metalli. L'Hamiltoniano a multielettroni e approssimazioni ad elettrone singolo: equazioni di Hartee e Hartee-Fock. Teoria a bande dei cristalli: metodo del Tight Binding, approssimazione dell'elettrone quasi libero. Proprieta' elettroniche di cristalli rilevanti. Trasporto nei metalli.
Semiconduttori intrinseci e drogati e trasporto. Giunzione p-n. Superconduttivita'.

TESTO PRINCIPALE:
Giuseppe Grosso and Giuseppe Pastori Parravicini Solid State Physics Academic Press

ALTRI TESTI UTILIZZATI:
Neil W. Ashcroft N. David Mermin Solid State Physics Saunders College
Charles Kittel Introduzione alla Fisica Dello Stato Solido Casa Editrice Ambrosiana

APPUNTI, PRESENTAZIONI E ESERCIZI sono pubblicati sul sito del corso
http://webusers.fis.uniroma3.it/~gallop/

Teoria dei Gruppi (CA)

SU(2) e SU(3)

La forma di Killing

Algebre di Lie semplici

Rappresentazioni

Radici semplici e la matrice di Cartan

Le algebre "classiche"

Le algebbre "eccezionali"

Operatore di Casimir e la formula di Freudenthal

Il gruppo di Weyl

La formula della dimensione di Weyl

Riduzione del prodotto di rappresentazioni

Sub-algebre

Regole di decomposizione

Metodi Numerici

Probabilità e variabili random

Richiami su Misure, inceretezze e loro propagazione

Richiami su Fit di una curva, minimi quadrati, ottimizzazione

Integrazione numerica classica, velocità di convergenza

Integrazione MC, media e varianza

Strategie di campionamento

Applicazioni

Propagazione delle incertezze Note

Generazione di dati secondo una distribuzione

Corrispondenza tra argomenti e sezioni dei libri su http://webusers.fis.uniroma3.it/franceschini/cmm.html

Robert Cahn - Semi-Simple Lie Algebras and Their Representations - Dover Publications 2014 (disponibile presso Roma TRE BAST Sede Centrale e presso la pagina dell'autore )

Weinzierl, S. - Introduction to Monte Carlo methods arXiv:hep-ph/0006269

Taylor, J. - An introduction to error analysis - University Science Books Sausalito, California Disponibile nella biblioteca Scientifica di Roma Tre

Dubi, A. - Monte Carlo applications in systems engineering - Wiley Disponibile nella biblioteca Scientifica di Roma Tre

materiale fornito a lezione ed elencato sul web http://webusers.fis.uniroma3.it/franceschini/cmm.html

Teorema di fluttuazione-dissipazione e teoria della risposta lineare.
-Funzioni di Green a temperatura nulla. Decomposizione di Lehmann. Proprietà analitiche.
-Sviluppo perturbativo e diagrammi di Feynman. Equazione di Dyson.
-Funzioni di Green a temperatura finita: tecnica di Matsubara.
-Teoria di Hartree-Fock e approssimazione RPA. Schermo di Thomas-Fermi. Funzione di Lindhard.
-Teoria del liquido di Fermi.
-Fenomenologia della superfluidità. Teoria di Landau.
-Teoria microscopica della superfluidità. Teoria di Bogolubov.
-Fenomenologia della superconduttività.
-Teoria BCS microscopica della superconduttività.
-Derivazione di Gorkov delle equazioni di Landau-Ginzburg.

1- Carlo Di Castro, Roberto Raimondi, Statistical Mechanics and Applications in Condensed Matter, Cambridge University Press 2015.
2- Piers Coleman, Introduction to Many-Body Physics, Cambridge University Press 2015.

Struttura elettronica dei solidi.
Richiami di calcolo a bande nei solidi. Bande di sistemi semiconduttori III-V e IV. Bande e superficie di Fermi dei metalli alcalini, metalli nobili, metalli semplici bivalenti e trivalenti; metalli di transizione. Approssimazione della massa efficace. Livelli di impurezza nei semiconduttori drogati. Eterogiunzioni e eterostrutture. Stati elettronici e densità degli stati nelle buche quantiche, nei fili quantici e nei punti quantici.

Proprietà di trasporto
Richiami del modello di Drude. Equazioni semiclassiche del moto. Equazione del trasporto di Boltzmann. Interazione elettrone - fonone. Approssimazione del tempo di rilassamento. Conducibilita' elettrica nell’approssimazione del tempo di rilassamento. Potere termoelettrico e conducibilità termica degli elettroni. Corrente di diffusione e di drift. Equazione di continuita' e termini di generazione e ricombinazione nei semiconduttori. Tempo di ricombinazione e lunghezza di diffusione. Giunzione p-n in condizioni di non equilibrio.
Proprieta' ottiche
Equazioni di Maxwell nei solidi. Costante dielettrica complessa e suo significato. Coefficiente di assorbimento e riflessione. Relazioni di Kramers Kronig. Oscillatore di Lorentz. Teoria di Drude delle proprietà ottiche di cariche libere. Oscillazioni di plasma. Modello classico per la costante dielettrica. Transizioni interbanda: transizioni dirette. Densita' congiunta degli stati, punti critici. Funzione dielettrica del Ge e della grafite. Transizioni interbanda indirette. Effetti eccitonici. Assorbimento da fononi ottici.
Proprieta' magnetiche della materia.
Moto di elettroni liberi e di elettroni di Bloch in campo magnetico. Trattazione quantistica e livelli di Landau. Degenerazione e riempimento dei livelli di Landau in 3D e 2D. Magnetoresistenza.
Suscettività magnetica. Paramagnetismo e diamagnetismo. Diamagnetismo di Larmor. Origine del momento magnetico atomico, regole di Hund. Effetti del campo cristallino nei solidi. Legge di Curie del paramagnetismo. Paramagnetismo di Van Vleck e di Pauli. Diamagnetismo di Landau. Teoria di campo medio del ferromagnetismo: modello di Weiss. Legge di Curie-Weiss. Anti-Ferromagnetismo. Interazione di scambio e modello di Heisemberg. Interpretazione microscopica del campo di Weiss. Interazione dipolare e domini magnetici.

Ashcroft-Mermin: "Solid State Physics"
Grosso-Pastori-Parravicini: "Solid State Physics"
Datta s.: Electronic transport in mesoscopic systems [Cambridge university press ]
Davies j. H. : The physics of low dimensional semiconductors [Cambridge university press)