Введение в физику элементарных частиц

2019/2020

Учебный год

RUS

Обучение ведется на русском языке

3

Кредиты

Кто читает:

Факультет физики

Статус:

Курс обязательный

Когда читается:

1-й курс, 3, 4 модуль

Преподаватели

Высоцкий Михаил Иосифович

Новиков Виктор Александрович

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 электродинамика
  Элементарные 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 хромодинамика
  Р- 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 теория
  Четырехфермионное 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 нейтрино
  Экспериментальные 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 Модели
  Физика 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

• Экзамен
  экзамен 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 работа
  Промежуточный контроль предусматривает письменную контрольную работу, выполняемую в третьем модуле.
• Домашнее задание
  Домашнее 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