Курс (курсы) 4 - Электронные документы ГГУ

Учреждение образования
«Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
УО «ГГУ им. Ф. Скорины»
________________ И.В. Семченко
(подпись)
____________________
(дата утверждения)
Регистрационный № УД-____________/р.
ФИЗИКА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Учебная программа для специальности
1-31 04 01 Физика (по направлениям)
(1-31 04 01-04 управленческая деятельность)
Факультет
физический
Кафедра
теоретической физики
Курс (курсы)
4
Семестр (семестры)
8
Лекции
22 часов
Экзамен
Практические занятия
6 часов
Зачет -
Лабораторные занятия
10 часов
Курсовой проект (работа)
Самостоятельная управляемая работа студентов
Всего аудиторных
часов по дисциплине
38 часов
Всего часов
по плану
96 часов
8
-
Форма получения
высшего образования
Составила О.М. Дерюжкова, к.ф.-м.н., доцент
2012
-
дневная
2
Учебная программа составлена на основе учебной программы, утвержденной _____ ________________ 2012 г.,
регистрационный номер _______-___________/_______
Рассмотрена и рекомендована к утверждению в качестве рабочего варианта
на заседании кафедры теоретической физики
_____________ 2012 г., протокол № ___
Заведующий кафедрой
доцент ____________ В.В. Андреев
Одобрена и рекомендована к утверждению
Методическим советом физического факультета
____________ 2012 г., протокол № ___
Председатель
доцент ____________ Е.А. Дей
3
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Физика элементарных частиц занимается исследованием мельчайших структурных
элементов окружающего нас мира и фундаментальных сил, действующих между ними.
Эта задача глубоко созвучна древнему стремлению человека найти простые и общие
законы, способные объяснить все многообразие и всю сложность явлений природы.
Простейший пример такого общего описания можно получить, введя понятия элементарных частиц и взаимодействий между ними. Тогда, в принципе, можно надеяться
дать объяснение макроскопических физических и химических процессов на языке этих
фундаментальных составляющих материи.
Помимо многообразия видов частиц, существует нескольких четко различимых типов взаимодействия. Все физические явления можно свести к тому или иному взаимодействию. Так, например, сильными взаимодействиями обусловлены силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, и источники энергии в звездах. За внеядерные явления ответственны электромагнитные взаимодействия; благодаря им возникают связанные состояния атомов и молекул. Слабое взаимодействие обнаруживается, например, в
крайне медленном процессе ядерного β-распада. Наконец, существует гравитационное
взаимодействие, которому подвержены все частицы и излучение; по сравнению с первыми тремя это взаимодействие ничтожно слабо.
Наше теоретическое понимание фундаментальных частиц и их взаимодействий базируется на квантовой теории поля и исключительно важном принципе симметрии. Совсем недавно сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия рассматривались
независимо друг от друга. Однако, после открытия партонов (кварков и глюонов) стала
видна глубокая связь между лептонами и адронами. Так крупнейшие достижения в физике адронов получены при совместном изучении слабых и электромагнитных взаимодействий.
Изучение фундаментальных частиц и фундаментальных взаимодействий невозможно без экспериментальных исследований, которые характеризуются переходом ко все
более высоким энергиям. С помощью ускорителей удалось проникнуть в область энергии характерной для физики космических лучей. В последнее время возросла важность
неускорительной физики элементарных частиц.
Целью специального курса «Физика фундаментальных взаимодействий» является
овладение студентами основами теории элементарных частиц и их взаимодействий.
Задачами спецкурса являются:
– ознакомление студентов с основными свойствами элементарных частиц и их взаимодействий на основе феноменологического подхода;
– усвоение концепции взаимодействий в современной квантовой теории поля;
– анализ любого процесса с участием адронов и лептонов с точки зрения законов
сохранения квантовых чисел и С-, Р-, Т- четностей, с использованием диаграмм Фейнмана;
– овладение основами непрерывных и дискретных преобразований, моделей нарушения Т- и СР-инвариантностей;
– формирование умений и навыков по построению адронов из кварков и систематике элементарных частиц.
Данный спецкурс формирует необходимую базу для научных исследований студентов и выполнения курсовых и дипломных работ.
Материал спецкурса «Физика фундаментальных взаимодействий» базируется на
ранее полученных студентами знаниях по таким курсам, как «Физика атома и атомных
явлений», «Физика ядра и элементарных частиц», «Электродинамика», «Квантовая механика».
В результате изучения спецкурса:
студент должен знать:
4
– концепцию взаимодействий в современной квантовой теории поля;
– основные подходы исследования структуры адронов и других элементарных частиц;
– теоретические и экспериментальные идеи, относящиеся к ускорительной и
неускорительной физике;
студент должен уметь:
– анализировать любой процесс с участием адронов и лептонов с точки зрения законов сохранения квантовых чисел и С-, Р-, Т- четностей;
– строить и использовать диаграммы Фейнмана для вычисления сечения взаимодействия адронов и лептонов;
студент должен владеть:
– основными методами теоретического и феноменологического описания адронных
процессов.
Спецкурс «Физика фундаментальных взаимодействий» изучается студентами 4 курса специальности 1-31 04 01-04 «Физика (управленческая деятельность)» специализации 1-31 04 01 02 16 «Компьютерное моделирование физических процессов».
Общее количество часов по плану — 96; аудиторное количество часов — 38, из них:
лекции — 22 , лабораторные занятия — 10 , практические занятия — 6, семинары — -,
самостоятельная управляемая работа студентов (СУРС) — -. Форма отчётности —
экзамен.
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
Раздел 1 СОВРЕМЕННАЯ ТЕОРИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Тема 1 Фундаментальные фермионы
Фермионы и бозоны. Связь спина и квантовой статистики. Лептоны и кварки. Лептонные пары, лептонный заряд. Ароматы кварков. Квантовые числа кварков: изотопический спин, странность, чарм, прелесть, истина, барионный заряд, гиперзаряд. Формула Гелл-Манна-Нишиджимы. Три поколения элементарных фермионов. Спектр масс
элементарных фермионов. Преоны. Античастицы. Построение адронов из кварков. Мезоны и барионы. Систематика адронов.
Тема 2 Фундаментальные взаимодействия
Свойства четырех фундаментальных сил и гипотетического взаимодействия теорий
великого объединения (ТВО). Концепция взаимодействия в современной квантовой
теории поля. Свойства промежуточных бозонов – переносчиков взаимодействия. Диаграммы Фейнмана. Амплитуда вероятности процесса. Пропагатор. Сечение взаимодействия. Формула Резерфорда. Радиус действия обменных сил. Идея Х. Юкавы. Феноменология известных взаимодействий. Гравитационное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие. Сильное взаимодействие. Слабое взаимодействие.
5
Тема 3 Симметрии и инварианты
Преобразования симметрии в современной физике. Внешние и внутренние симметрии. Непрерывные и дискретные преобразования симметрии. Четность Р. Внутренняя
четность. Зарядовое сопряжение С. СР-сопряжение. Нейтральные каоны. Обращение
времени Т. СРТ-инвариантность. Законы сохранения в физике элементарных частиц.
Модели нарушения Т- и СР-инвариантностей. Матрица Кобаяши-Маскавы. Угол смешивания Кабиббо.
Раздел 2 УСКОРИТЕЛЬНЫЕ И НЕУСКОРИТЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
В ФИЗИКЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Тема 1 Масштабы энергии ускорителей
Ускорители элементарных частиц и накопительные кольца. Основные параметры
ускорителей – энергия и светимость. Линейные и циклические ускорители. Параметры
крупнейших действующих и проектируемых ускорителей. Максимальные энергии
ускорителей с фиксированной мишенью и накопительных колец. Установки на ускорителях с неподвижной мишенью и на коллайдерах. Адронные и лептонные детекторы.
Тема 2 Современная ускорительная техника
Большое электрон-позитронное кольцо LEP. Стенфордские линейные коллайдеры
SLC и NLC. Адрон-электронная кольцевая установка HERA. Большой адронный коллайдер LHC. Сверхпроводящий суперколлайдер SSC. Синхрофазотрон TEVATRON II.
Накопительное кольцо (электронный ускоритель) ВЭПП-4. Ускорители будущего.
Ускорительные центры мира.
Тема 3 ФФВ в ускорительных и неускорительных экспериментах конца XX и
начала XXI веков
Задачи современной ускорительной физики. Проверка стандартной модели. Частицы Хиггса. Поиск top-кварка. Прецизионное измерение угла Вайнберга. Смешивание в
кварковом секторе. Поиск «новой физики» (структура ТВО и суперсимметрии, внутренняя структура кварков и лептонов, существование лептокварков, новых векторных
бозонов, суперсимметричных частиц и т.д.). Проверка стандартной модели на LEP и
SLC. Поиск свободных кварков, частиц с дробным зарядом, на ускорителях, в космических лучах и в веществе. Перспективы ускорительных и неускорительных экспериментов.
1.1
1.1.1
1.1.2
6
7
Раздел 1 Современная теория фундаментальных взаимодействий
Фундаментальные фермионы
1. Лептоны и кварки.
2. Квантовые числа кварков.
3. Формула Гелл-Манна-Нишиджимы.
4. Спектр масс фундаментальных фермионов.
30
14
6
10
-
10
2
4
2
2
-
4
-
-
1. Мезоны и барионы.
2. Античастицы.
3. Построение адронов из кварков.
8
2
2
4
-
8
9
Формы контроля знаний
5
Литература
4
Материальное обеспечение занятия (наглядные, методические пособия и др.)
3
СУРС
2
лекции
лабораторные
занятия
1
Количество аудиторных
часов
практические
(семинарские)
занятия
1
Название раздела, темы, занятия;
перечень изучаемых вопросов
Всего часов
Номер раздела, темы,
занятия
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ
10
Информ. система
«Элементарные
частицы», Phys.
Rev. D, vol. 66,
p.1, 2002
[1]
[2]
[3]
[6]
[7]
[9]
Информ. система [1]
«Элементарные
[2]
частицы», Phys. [3]
Rev. D, vol. 66, [6]
p.1, 2002
[7]
[9]
Защита
отчета по
лаб.работе
7
1
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.3
1.3.1
1.3.2
2
Фундаментальные взаимодействия
1. Концепция взаимодействия в современной квантовой теории поля.
2. Свойства промежуточных бозонов.
3. Радиус действия обменных сил.
4. Диаграммы Фейнмана.
1. Свойства четырех фундаментальных
сил и гипотетического взаимодействия
теорий великого объединения (ТВО).
2. Гравитационное взаимодействие.
3. Электромагнитное взаимодействие.
1.Сильное взаимодействие.
2. Слабое взаимодействие.
3. Гипотетическое взаимодействие.
3
12
4
4
6
2
5
2
2
6
4
-
7
-
2
2
-
-
-
6
2
-
4
-
Симметрии и инварианты
1. Преобразования симметрии в современной физике.
2. Непрерывные преобразования сим-
8
2
4
2
2
-
2
-
-
6
2
2
2
-
метрии.
3. Дискретные преобразования симметрии.
1. Четность Р.
2. Зарядовое сопряжение С.
3. СР-сопряжение.
4. Обращение времени Т.
5. Модели нарушения Т- и СР инвариантностей.
8
9
10
Информ. система
«Элементарные
частицы», Phys.
Rev. D, vol. 66,
p.1, 2002
[1]
[4]
[6]
[7]
[8]
[1]
[4]
[6]
[8]
[10]
Информ. система [1]
«Элементарные
[4]
частицы», Phys. [11]
Rev. D, vol. 66,
p.1, 2002
Защита
отчета по
лаб.работе
[1]
[4]
[6]
[8]
[9]
Информ. система
«Элементарные
частицы», Phys.
Rev. D, vol. 66,
p.1, 2002
[1]
[4]
[5]
[7]
[10]
Защита
отчета по
лаб.работе
8
1
2
2.1
2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2
Раздел 2 Ускорительные и неускорительные эксперименты в ФФВ
Масштабы энергии ускорителей
1. Ускорители элементарных частиц и
накопительные кольца.
2. Основные параметры ускорителей –
энергия и светимость.
3. Линейные и циклические ускорители.
Современная ускорительная техника
1. LEP.
2. SLC и NLC.
3. HERA.
4. LHC.
5. Ускорители будущего.
ФФВ в ускорительных и неускорительных экспериментах конца XX и
начала XXI веков
1. Задачи современной ускорительной
физики.
2. Проверка стандартной модели на
LEP и SLC.
3. Поиск «новой физики».
1. Перспективы ускорительных экспериментов.
2. Неускорительные эксперименты в
ФФВ.
3
8
4
8
5
-
6
-
7
-
8
2
2
-
-
-
Информ. система
«Элементарные
частицы», Phys.
Rev. D, vol. 66,
p.1, 2002
2
2
-
-
-
4
4
-
-
-
2
2
-
-
-
2
2
-
-
-
Итого часов:
38
22
6
10
-
9
10
[1]
[4]
[5]
[8]
[10]
[11]
Информ. система [1]
«Элементарные
[4]
частицы», Phys. [8]
Rev. D, vol. 66, [10]
p.1, 2002
[11]
Информ. система
«Элементарные
частицы», Phys.
Rev. D, vol. 66,
p.1, 2002
Информ. система
«Элементарные
частицы», Phys.
Rev. D, vol. 66,
p.1, 2002
[1]
[4]
[8]
[10]
[11]
[1]
[4]
[8]
[10]
[11]
Экзамен
ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Перечень лабораторных работ
1. Кварковая структура адронов
2. Фундаментальные взаимодействия
3. Законы сохранения в мире элементарных частиц
Перечень практических занятий
1. Мезоны, барионы, античастицы
2. Фундаментальные взаимодействия, радиус действия обменных сил
3. Симметрии и инварианты
Формы контроля знаний
1. Компьютерный тест по разделам учебного материала
Рекомендуемая литература
Основная
1 Новожилов, Ю.В. Введение в теорию элементарных частиц / Ю.В. Новожилов.
– М.: Наука, 1972. – 472 с.
2 Хелзен, Ф. Кварки и лептоны / Ф. Хелзен, А. Мартин. – М.: Мир, 1987. – 456 с.
3 Эриксон, Т. Пионы и ядра / Т. Эриксон, В. Вайзе. – М.: Наука, 1991. – 512 с.
4 Клапдор-Клайнгротхаус, Г.В. Неускорительная физика элементарных частиц /
Г.В. Клапдор-Клайнгротхаус, А. Штаудт. – М.: Наука, 1997. – 528 с.
Дополнительная
5 Сивухин, Д.В. Атомная и ядерная физика: учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 2. Ядерная
физика / Д.В. Сивухин. – М: Наука, 1989. – 416 с.
6 Окунь, Л.Б. Лептоны и кварки / Л.Б. Окунь. – М.: Наука, 1990. – 346 с.
7 Ишханов, Б.С. Субатомная физика. Вопросы. Задачи. Факты / Б.С. Ишханов. –
М.: Изд-во МГУ, 1994. – 224 с.
8 Бопп, Ф. Введение в физику ядра, адронов и элементарных частиц / Ф. Бопп. –
М.: Мир, 1999. – 277 с.
9 Исаев, П.С. Обыкновенные, странные, очарованные, прекрасные / П.С. Исаев. –
М.: Энергоатомиздат, 1995. – 320 с.
10 Мурзин, В.С. Физика адронных процессов / В.С. Мурзин, Л.И. Сарычева. – М.:
Энергоатомиздат, 1986. – 280 с.
11 Нелипа, Н.Ф. Физика элементарных частиц / Н.Ф. Нелипа – М.: Высшая школа,
1977. – 608 с.
10
ПРОТОКОЛ СОГЛАСОВАНИЯ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ
ПО ИЗУЧАЕМОЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ СПЕЦИАЛЬНОСТИ
Название
дисциплины,
с которой
требуется согласование
Название
кафедры
Физика ядра и эле- Кафедра теоретичементарных частиц
ской физики
Предложения
об изменениях в
содержании учебной программы
по изучаемой
учебной
дисциплине
Решение, принятое кафедрой, разработавшей
учебную программу (с
указанием даты и номера протокола)
Рекомендовать к утверждению учебную программу в представленном варианте
протокол № ___ от
___.________201__
11
ДОПОЛНЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ К УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЕ
ПО ИЗУЧАЕМОЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
на _____/_____ учебный год
№№
пп
Дополнения и изменения
Основание
Учебная программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры
теоретической физики
(протокол № ____ от ________ 201__ г.)
Заведующий кафедрой
теоретической физики
к.ф.-м.н., доцент
__________________ В.В. Андреев
УТВЕРЖДАЮ
Декан физического факультета УО «ГГУ им. Ф. Скорины»
к.ф.-м.н., доцент
__________________Ю.В. Никитюк