Project

muon; muonic atom; atomic parity violation; nuclear charge radius; HPGe detector; gamma spectroscopy

Lead
I muoni sono particelle fondamentali simili agli elettroni ma con massa 207 volte maggiore e con una vita media di 2.2 microsecondi. Data la loro similarità con gli elettroni, è possibile formare atomi dove un elettrone è sostituito da un muone negativo. Molti fenomeni fisici che dipendono dalla massa della particella in gioco risultano molto amplificati in un sistema muonico rispetto a un sistema elettronico. Per questa ragione gli atomi muonici sono laboratori unici per studiare fenomeni fisici molto deboli come per esempio gli effetti di violazione di parità o per misure di alta precisione. Molti studi sugli atomici muonici consistono nel misurare la radiazione (raggi X) emessa dal muone che, una volta assorbito dall’atomo, decade fino a raggiungere il livello atomico più basso 1S. In questo contesto, gli atomi muonici hanno permesso di determinare con estrema precisone i raggi nucleari di quasi tutti gli elementi stabili presenti in Natura.
Lay summary
Soggetto e Obiettivo Il soggetto della ricerca è di contribuire all’osservazione sperimentale di effetti di violazione della parità in atomi. La misura di violazione di parità consiste nell’osservare transizioni atomiche che sono proibite secondo le regole di selezione determinate dall’elettrodinamica quantistica ma che diventano possibili quando l’interazione debole, che viola la parità, entra in gioco. Effetti di violazione di parità sono già stati osservati in atomi elettronici ma mai in atomi muonici.  Il primo obiettivo del progetto di ricerca è di osservare effetti di violazione di parità in atomi muonici.  Il secondo obiettivo è quello di misurare i raggi nucleari di elementi radioattivi, più precisamente dell'elemento Radio. Questo permetterà di sviluppare una tecnica di misura che potrà essere estesa ad altri elementi radioattivi. Contesto socio-scientifico Il nostro lavoro permetterà di raccogliere nuove e importanti informazioni nell’ambito della ricerca di effetti di violazione della parità in atomi. La misura con alta precisone del raggio nucleare del Radio è necessaria al fine di migliorare i calcoli teorici di violazione di parità nel Radio e che sono determinanti per il successo di un esperimento che vuole misurare la violazione di parita' nel Radio. Essa ha anche un significativo impatto nell’ambito della fisica nucleare.  Infatti il raggio nucleare è una proprietà fondamentale del nucleo, la cui misura con alta precisione è di estrema importanza al fine di verificare i modelli teorici nucleari. In tal senso misure di raggi nucleari di elementi radioattivi sono ancora mancanti.

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Last update: 18.01.2016

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Muonic atoms as laboratories for fundamental physics provide crucial input to quantum electrodynamics, the weak interaction and the strong interaction. Many studies of muonic atoms have relied on the detection of x-ray from the muonic cascades. For Lyman x-rays the energies range from few keV for the lightest atoms to several MeV for larger nuclear charge Z. Most stable and a few unstable isotopes have been investigated with muonic atom spectroscopy techniques. In particular, muonic atoms have been used to extract the most accurate nuclear charge radii. However, experiments with muonic atoms have been limited by low muon rates, poor beam quality and large muon stop volumes, but also by available detector technology for this environment. While beam intensities and quality have been improved in recent years, still no higher multiplicity spectroscopy of muonic cascades has been performed. Muonic x-rays have never been studied with highly efficient multi-Ge-detector arrays covering large solid angles. This research project will focus on the measurements of the muonic cascades of (i) Ra and of (ii) medium-mass muonic atoms using a large coverage Ge array placed at one of the several muon beam lines at the high power proton accelerator facility HIPA at the Paul Scherrer Institut.Both measurements deal with atomic parity violation (APV) that is a manifestation of the neutral weak interaction between lepton (electron, muon) and the nucleus and its constituents. The data on the muonic cascades will reveal unique information: (i) high precision nuclear-charge radius of Ra and (ii) discrimination of the 2S-->1S transition of high relevance for future parity violation studies in atomic Ra and in muonic atoms.