,СОФИЙСКИ УНИВЕРСИТЕТ “СВ. КЛИМЕНТ ОХРИДСКИ”
ФИЗИЧЕСКИ ФАКУЛТЕТ
Утвърдена с Протокол на ФС N: …../ ……..
Декан:
/доц. д-р Д. Мърваков/
УЧЕБНА ПРОГРАМА
ПО ДИСЦИПЛИНАТА: Увод във Физиката на eлеменарните частици
ВКЛЮЧЕНА В УЧЕБНИЯ ПЛАН НА СПЕЦИАЛНОСТ: Физика, Инженерна Физика, ЯТЕ
СТЕПЕН НА ОБУЧЕНИЕ: Бакалавър
КАТЕДРА: Атомна Физика
ИЗВАДКИ ОТ УЧЕБНИЯ ПЛАН
Вид на занятията:
|
Семестър:
|
Хорариум-часа/
седмично:
|
Хорариум-часа
Общо:
| Лекции |
VII
|
3
|
45
|
Семинарни упражнения
|
VII
|
2
|
30
|
Практически упражнения
|
|
|
|
Общо часа:
|
|
5
|
75
|
Форма на контрол:
|
|
|
Изпит
|
А. АНОТАЦИЯ
Курсът е предназначен за студентите от всички специалности на Физическия факултет. Необходима предпоставка за неговото избиране е усвояването на материала, преподаван в задължителните курсовете по Обща физика (включително Атомна физика и взаимодействие на йонизиращите лъчения с веществото и Ядрена физика) и Квантова механика. Предлагания курс е тяхно естествено продължение, тъй като се изучават фундаменталните микрообекти (лептони, кварки, глуони и пр.), от които по определени правила и закони на взаимодействие се изграждат познатите на струдентите микросистеми – нуклони, ядрa, атоми и т.н. Целта на курса е да запознае студентите със съвременните представи за фундаменталните съставящи на материята и техните взаимодействия. Излагат се основите на кинематиката на елементарните частици. Разглеждат се симетриите на взаимодействията на елементарните частици (непрекъснати и дискретни, пространствени и вътрешни, глобални и локални) и следващите от тях закони за съхранение. Взаимодействията се описват с помощта на локални (калибровъчни) групи на симетрия. Специално внимание се отделя на експерименталните методи за изследване на свойствата на елементарните частици и техните взаимодействия., включително на съвременните ускорително-натрупващи комплекси и многодетекторни системи за регистрация и идентификация на частиците, като ударението при преподаването на последните се поставя върху специфичните им особености, свързани с високите енергии (~ GeV), малките времена на живот на изследваните обекти (~ ns) и огромен брой “фонови” частици. Излагат се основите на кварковия модел и се прави увод в квантовата хромодинамика, описваща силните взаимодействия. Обсъждат се експерименталните доказателства за съществуване на кварки и глуони. Разглеждат се слабите взаимодействия на елементарните частици и се излагат основите на модела на Глешоу-Уайнбърг - Салам, описващ електромагните и слабите взаимодействия. Обсъжда се проблема с масите на неутрината и техните осцилации. Разглеждат се опитите за построяване на модели, обединяващи електромагните, слабите и силните взаимодействия. Очертават се основните проблеми и направления за развитие на физиката на елементарните частици.
Б. СЪДЪРЖАНИЕ НА УЧЕБНАТА ПРОГРАМА:
№
|
Лекции
|
Брой часове
|
1.
|
Йерархия и структурата на материята: вещество, атоми, ядра, кварки. Фундаментални взаимодействия и техните преносители. Интензивност и радиус на действие.
|
1
|
2.
|
Основи на кинематиката на елементарните частици
- Пространство на Минковски, преобразования на Лоренц, релативистки инварианти, ефективна маса
- Основни типове експерименти, лабораторна система, Система на центъра на масите. Преходи между различни отправни системи.
- Запазване на енергията и импулса
- Степени на свобода
- Естествена система мерни единици, в която ħ = c = 1.
|
3
|
3.
|
S-матрица в представяне на взаимодействието
- Представяния на Шрьодингер и на Дирак
- S – матрица: дефиниция, физически смисъл.
- Разложение на S-матрицата по степените на константата на взаимодействие. Графично представяне – диаграми на Файман.
|
3
|
4.
|
Фазов обем, Вероятност за разпад, Сечение за взаимодействие
|
2
|
5.
|
Симетрии, инвариантност и закони за запазване.
- Симетрии в квантовата физика, запазване на енергията и импулса.
- Елементи на теория на групите: група, алгебра, групи на Ли, представяния на групи, Оператори на Казамир.
- Представяния на групата SU(2), изоспин.
- Пространствени симетрии: непрекъснати и дискретни, Група на Лоренц, Група на Поанкаре, пространствено отражение, обръщане на времето, зарядово спрягане.
- Глобални и локални симетрии.
|
4
|
6.
|
Основни свойства на елементарните частици
- Пространствени и вътрешни квантови числа. Лептони и адрони, мезони и бариони, хиперони, бозони и фермиони
- Ширина и време на живот на нестабилни частици: средно време на живот, класификация, резонанси, разпределение на Брейт-Вигнер.
- Фундаментални частици
|
2
|
7.
|
Взаимодействия на елементарните частици.
- Основни видове взаимодействия.
- Електромагнитни взаимодействия: локална калибровъчна инвариантност, електромагнитно поле.
- Неабелева калибровъчна инвариантност. Калибровъчни бозони.
|
2
|
8
|
Експериментална техника във физика на елементарните частици.
а)Източници на високоенергетични частици, Космически лъчи.
б) Ускорители
- Циклотрон, синхротрон, синхрофазотрон.
- Ускорители на насрещни снопове.
- Ускорителни комплекси.
в) Процеси на взаимодействие на високоенергетични частици с веществото.
- Регистрация на заредени частици: йонизация, ефект на Черенков, преходно излъчване.
- Регистрация на електромагнитно излъчване: физически процеси, радиационна дължина.
г) Детектори на елементарни частици. Типове и основни характеристики.
- Трекови детектори – многонишкова пропорционална камера, дрейфови камери, време-проекционни камери, полупроводникови детектори.
- Сцинтилационни броячи
- Черенковски броячи: прагови, диференциални, RICH-технология.
- Електромагнитни и адронни калориметри.
- Измерване на импулса на заредени частици.
- Детекторни комплекси.
|
8
|
9.
|
Силни взаимодействия
- Изоспин
- Странни частици, връзка между изоспин, странност и електрически заряд.
- SU(3)-симетрия. Кварков модел
- Експериментални указания за съществуване на кварки
- Лептон – нуклонно разсейване
- Формфактори, кварк-партонен модел, структурни функции
- Цвят и глуони. Квантова хромодинамика
- Квантово число – цвят, безцветност на адроните, конфаймент.
- Експериментални указания за същестуване на цвят
- Квантова хромодинамика: локална SU(3) симетрия, глуони, асимптотична свобода.
- Експериментални указания за съществуване на глуони
|
6
|
10.
|
Слаби взаимодействия
- Слаби разпади и реакции
- Лептонни и кваркови токове, V-A модел
- Ъгъл на Кабибо, смесване на кварките
- СР-нарушение: СРТ теорема, СР-нарушение в К- и B- мезонни разпади
- Неутрални токове, експериментални наблюдения
- Маси на неутрината. Осцилации на неутрината
|
5
|
11.
|
Обединение на Слабите и Електромагнитните взаимодействия
- Взаимодействия между заредени токове. Преносители на слабото взаимодействие
- Спонтанно нарушение на симетрията. Механизъм на Хигс
- Модел на Глешоу-Вайнберг-Салам
- W и Z бозони. Ъгъл на Уайнбърг. Хигс-бозон
- Матрица на Кабибо-Кобаяши-Маскава
|
5
|
12.
|
Велико обединение
- Бягаща константа на взаимодействието
- Теории отвъд Стандартния модел: SU(5), SO(10), E6; разпад на протона
|
1
|
13.
|
Модерни експерименти по изследване на Стандартния модел
- e+e– насрещни снопове. τ, B и Z фабрики
- протон-протонни и протон-антипротонни ускорители
- Експериментални резултати: брои поколения, маса на Z-бозона, маса на t-кварка, константа на взаимодействието
|
2
|
14.
|
Проблеми и въпроси във Физиката на Елементарните Частици. Основни насоки за развитие – теория и експеримент
|
1
|
|
Упражнения
|
|
1.
|
Увод. 4-вектор на енергията-импулса. Маса на покой на частица. Естествена система единици c = ћ = 1. Единици за енергия, маса, импулс, време, разстояние, площ. Преминаване в "нормална" система единици. Константи на Ферми и Нютон в естествената система
|
2
|
2.
|
Релативистка кинематика. Преобразувания на Лоренц. Лабораторна отправна система и система на центъра на масите. Релативистки инварианти. Динамични инварианти. Променливи s, t, u. Ефективна (инвариантна) маса на система от n частици. Праг на реакция. Разсейване a + b c + d : ъглови и енергетични зависимости. Елипса на импулсите. Максимален ъгъл на излитане.
|
6
|
3.
|
Изследване на кинематиката на разпадането на масивна частица на две (почти) безмасови ( 2 , 2 , Z e+e-). Разпределения на продуктите по енергии и ъгъл на разлитане. Самостоятелна работа: разпадане на масивна частица на две масивни частици с еднакви или различни маси.
|
3
|
4.
|
Ускорители на частици. Линеен ускорител. Циклотрон. Синхроциклотрон и синхрофазотрон (протонен синхротрон). Ускорители на електрони. Формиране на снопове високоенергетични фотони чрез разсейване на лазерен лъч върху сноп релативистски електрони — кинематика
|
3
|
5.
|
Напречно ефективно сечение. Фиксирана мишена. Задачи за пресмятане добива на частици в различни процеси на разсейване и разпадане. Снопове частици, пресичащи се под произволен ъгъл. Светимост. Ускорители с насрещни снопове. Еквивалентна енергия.
|
4
|
6.
|
Връзка между елементите на матрицата на разсейване и сеченията или константите на разпадане. Лоренц-инвариантен фазов обем. Оптична теорема. Разпадане a b + c и разсейване a + b c + d .
|
3
|
7.
|
Изотопичен спин. Изотопична инвариантност на силното взаимодействие. N - разсейване и връзка между сеченията за различните процеси. Коефициенти на Клебш - Гордън.
|
2
|
8.
|
Правило I = 1/2 при слаби нелептонни разпади. Адитивни квантови числа и закони за запазването им . Диаграми за слаби лептонни, полулептонни и нелептонни процеси.
|
1
|
9.
|
Структура на адроните. Статични магнитни моменти на нуклоните. Електромагнитни формфактори. Формула на Розенблат. Диполна формула. Дълбоконееластично лептон-адронно разсейване. Партони. Валентни и морски кварки. Кварков състав на мезонните и барионни мултиплети. Мултиплети с тежки кварки.
|
3
|
10.
|
Детектори на релативистки частици. Йонизационни и радиационни загуби. dE/dx за релативистки частици. Критична енергия. Радиационна дължина. Електромагнитни и адронни каскади. Калориметри. Идентификация на релативистки частици. Разделяне по скорости. Прагови и диференциални черенковски детектори. Детектори с многократно измерване на dE/dx.
|
3
|
В. Формата на контрол е: изпит
Преподаваният материал е групиран в отделни въпроси и задачи от семинарните занятия. През първите 20 минути от подготовката на изложението по изтеглените въпроси студентите имат право да ползват справочна литература. По време на беседата с изпитващите те излагат подробно материала по изтеглените въпроси и отговарят на допълнителни кратки въпроси. Критерии за оценяване е усвояването на основните идеи и концепции, без да се набляга на фактическото заучаване на формули и дефиниции. Решението на задачата се оценява въз основа на избрания подход за решаване и демонстрираните технически умения.
Г. Основна литература:
-
У. Уилямс , Физика на ядрото и елементарните частици, Университетско издателство “Св. Кл. Охридски”, 2000
-
Ф.Хелзен, А.Мартин, Кварки и лептоны, изд. “Мир”, Москва, 1987
-
Ф.Клоуз, Кварки и партоны, Москва, 1982
-
К.Клайнкнехт, Детекторы корпускулярных излучений, Москва, 1990
-
Физика микромира. Маленкая енциклопедия. изд. “Советская энциклопедия”, Москва, 1980
-
Л.Гольдин, Физика ускорителей, изд. “Наука”, Москва, 1983 г.
-
D.Perkins, Introduction to High Energy Physics, 4th edition, Cambridge University Press, 2000
Д. Допълнителна литература:
-
Л. Райдер, Елементарные частицы и симетрии, изд. “Наука”, Москва, 1983
или L. Ryder, Elementary particles and Symmetries, Gordon and Breach Science Publishers, 1984
-
Г. Фрауенфельдер, З. Хенли, Субатомная физика, изд. “Мир”, Москва, 1979 г.
-
Fayyazuddin and Riazuddin, A Modern Introduction to Particle Physics, World Scientific, 2000
Съставили програмата: (подписи)
16.03.2004………….. доц. Л. Литов
Доц. Р. Ценов
Сподели с приятели: |
