Магистратура
2019/2020
Введение в физику элементарных частиц
Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»
Статус:
Курс обязательный (Физика)
Направление:
03.04.02. Физика
Кто читает:
Факультет физики
Где читается:
Факультет физики
Когда читается:
1-й курс, 3, 4 модуль
Формат изучения:
без онлайн-курса
Преподаватели:
Высоцкий Михаил Иосифович,
Новиков Виктор Александрович
Прогр. обучения:
Физика
Язык:
русский
Кредиты:
3
Контактные часы:
80
Программа дисциплины
Аннотация
Основная цель курса - ознакомить студентов с физикой элементарных частиц в том виде, который она приняла в настоящее время благодаря бурному развитию теории и эксперимента, имевшему место на протяжении последних пятидесяти лет. Мы рассмотрим элементарные частицы и фундаментальные частицы, а также инструменты их изучения: ускорители с фиксированной мишенью и коллайдеры. Мы введем четыре взаимодействия, их симметрии и законы сохранения. Мы рассмотрим квантовую электродинамику и правила Фейнмана. Мы изучим способы вычисления сечений реакций и вероятностей распада элементарных частиц. Мы введем понятие о петлевых поправках, перенормируемости квантовой электродинамики скалярных и спинорных частиц. Далее мы перейдем к квантовой хромодинамике, введем кварки и глюоны, дадим понятие об асимптотической свободе. Будет развита кварковая модель адронов. Будут рассмотрены четырехфермионное слабое взаимодействие, электрослабая теория, промежуточные W - и Z-бозоны и их массы. Будут введены глобальные симметрии и их нарушение, эффект Голдстоуна. Далее мы рассмотрим локальные симметрии и эффект Хиггса. Будет введена стандартная модель, массы кварков и лептонов, смешивание поколений. Мы рассмотрим нарушение CP. Мы рассмотрим экспериментальные ограничения на массы нейтрино и их осцилляции. Мы обсудим физику за рамками Стандартной Модели, включая теории Великого объединения, проблему иерархий, тёмную материю и темную энергию. Мы введем понятие суперсимметрии.
Цель освоения дисциплины
- целями освоения дисциплины "Введение в физику элементарных частиц" являются: • формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использованием современных теоретических концепций в области физики элементарных частиц; • развитие умений интерпретировать данные физических экспериментов и сопоставлять их с теоретическими выводами; • получение студентами навыков самостоятельной исследовательской работы, предполагающей изучение специфических алгоритмов, инструментов и средств, необходимых для решения задач физики элементарных частиц; • разрабатывать и исследовать модели физики элементарных частиц.
Планируемые результаты обучения
- совместно сдругими студентами умеет оценить свойства частиц и в процессе работы определить последовательность действий и роли в коллективе для выполнения задания
- аналитического и численного решения задач физики элементарных частиц; работы с данными по частицам, получаемыми в современных экспериментах
- имеет навык работы с современной научной литературой по данному вопросу
- знает Стандартную Модель (СМ) физики элементарных частиц и наиболее популярные расширения СМ
- умеет применять полученные знания для анализа экспериментальных данных, полученных в современных экспериментах и развивать их самостоятельно
- знает как организованы экспериментальные работы в области физики элементарных частиц, развивать стандартные модельные подходы к описанию процессов в СМ
- знает актуальные проблемы сверхпроводимости и предлагает свое видение решения этих вопросов
- развивает умения, основанных на полученные знаний, позволяющие исследовать процессы при физике элементарных частиц, их природу, используя результаты различных наблюдений
Содержание учебной дисциплины
- Квантовая электродинамикаЭлементарные частицы и фундаментальные частицы. Ускорители с фиксированной мишенью и коллайдеры. Четыре взаимодействия. Симметрии и законы сохранения. Естественная система единиц. Скалярные частицы. Уравнение Клейна-Гордона. Локальная U(1)-инвариантность - квантовая электродинамика. Правила Фейнмана. Вычисление сечений реакций и вероятностей распада элементарных частиц. Уравнение Дирака. Магнитный момент электрона. Орто- и парапозитронии. Комптон-эффект на электроне. Петлевые поправки, перенормируемость квантовой электродинамики скалярных и спинорных частиц. g-2 электрона и мюона.
- Квантовая хромодинамикаР- и С-чётности. Бег заряда. Локальная SU(3)-инвариантность - теория сильных взаимодействий (квантовая хромодинамика). Кварки и глюоны. Асимптотическая свобода. Аннигиляция e+ e - → адроны. Кварковая модель адронов. Нонет псевдоскалярных мезонов, октет и декуплет барионов. Кварки блоковые и кварки токовые. Массы кварков. Тяжелые c- и b-кварки. t-кварк.
- Электрослабая теорияЧетырехфермионное слабое взаимодействие. Проблема перенормируемости. Электрослабая теория, основанная на локальной SU(2)L×U(1)-симметрии. Промежуточные W- и Z-бозоны. Их массы. Глобальные симметрии и их нарушение. Эффект Голдстоуна. Локальные симметрии - эффект Хиггса. Бозонный сектор Стандартной Модели. Бозон Хиггса. Фермионный сектор. Массы кварков и лептонов в стандартной модели. Смешивание поколений. Нарушение CP. Ограничения на массу бозона Хиггса. Его обнаружение на LHC. Распады хиггсовского бозона.
- Физика нейтриноЭкспериментальные ограничения на массы нейтрино. Дираковская и майорановская массы. Осцилляции нейтрино. Реакторные и солнечные нейтрино, обнаружение их осцилляций. Осцилляции атмосферных и ускорительных нейтрино. Осцилляции в случае трёх поколений. Измерение угла смешивания θ13 в ускорительных и реакторных экспериментах. Планируемые эксперименты.
- Физика за рамками Стандартной МоделиФизика за рамками Стандартной Модели. Теории Великого объединения. Проблема иерархий, тёмная материя и темная энергия. Низкоэнергетическая суперсимметрия. Нейтралино - кандидат на роль частицы тёмной материи. Вычисление концентрации реликтовых нейтралино.
Элементы контроля
- Экзаменэкзамен в конце 2-го модуля. Проводится в устной форме. Экзамен состоит из двух частей: теоретической, проводится в форме устной беседы по тематике дисциплины (30 мин.); в билете на экзамене содержатся 2 устных вопроса. Задача отсутствует.
- Письменная контрольная работаПромежуточный контроль предусматривает письменную контрольную работу, выполняемую в третьем модуле.
- Домашнее заданиеДомашнее задание включает решение двух задач по теме курса лекций. Решение задач сдается преподавателю. Преподаватель проверяет домашнее задание. Все задачи затем обсуждаются на семинаре. Оценка за домашнее задание выставляется с учетом правильности и полноты решения задачи.
Промежуточная аттестация
- Промежуточная аттестация (4 модуль)0.1 * Домашнее задание + 0.2 * Письменная контрольная работа + 0.7 * Экзамен
Список литературы
Рекомендуемая основная литература
- Bettini, A. (2008). Introduction to Elementary Particle Physics. Cambridge: Cambridge University Press. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=304650
- Введение в квантовую теорию поля, Пескин, М., 2001
Рекомендуемая дополнительная литература
- Bettini, A. (2015). Introduction to elementary particle physics. Slovenia, Europe: Cambridge University Press. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsbas&AN=edsbas.2D9006AF
- Boyarkin, O. M. (2007). Introduction to Physics of Elementary Particles. New York: Nova Science Publishers, Inc. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=246846
- Теоретическая физика. Т.4: Квантовая электродинамика, , 2002