Fizyka cząstek elementarnych

podstawy fizyki,

podstawy fizyki kwantowej.

Godziny kontaktowe (z udziałem nauczyciela akademickiego)

Wykład 30

Łączna liczba godzin z udziałem nauczyciela akademickiego 30

Liczba punktów ECTS z udziałem nauczyciela akademickiego 1,5

Godziny nie kontaktowe (praca własna studenta)

Przygotowanie się do egzaminu 30

Studiowanie literatury 15

Łączna liczba godzin nie kontaktowych: 45

Liczba punktów ECTS za godziny nie kontaktowe: 1,5

Sumaryczna liczba punktów ECTS dla modułu 3

WIEDZA

W1,W2,W4,W5 – dyskusja w trakcie zajęć, egzamin,

UMIEJĘTNOŚCI

U1,U10 –egzamin,

KOMPETENCJE

K1,K2– egzamin.

Wykład obejmuje takie podstawowe zagadnienia jak: wytwarzanie i detekcja, klasyfikacja, własności oraz oddziaływania cząstek elementarnych. Podkreślona jest rola symetrii i praw zachowania w opisie mikroświata. Omówiony jest Model Standardowy, jako podstawowy opis teoretyczny oddziaływań elektromagnetycznych, słabych i silnych pomiędzy fundamentalnymi składnikami materii, jakimi są leptony, kwarki i bozony pośredniczące. W ramach tego modelu sklasyfikowane są cząstki elementarne i podana struktura kwarkowa hadronów.

TREŚCI REALIZOWANE:

I. Wstęp

1. Krótka historia rozwoju fizyki cząstek elementarnych.

2. Ogólna klasyfikacja cząstek.

• bozony i fermiony

• leptony, kwarki i hadrony

• cząstki pośredniczące w oddziaływaniach

3. Oddziaływania podstawowe– charakterystyka.

4. Jednostki.

II. Elementy kinematyki relatywistycznej

1. Masa, energia i pęd.

2. Niezmienniki relatywistyczne.

3. Układ środka masy i laboratoryjny.

III. Podstawowe pojęcia związane ze zderzeniami cząstek i ich rozpadami

a) przekroje czynne, amplituda procesu, przestrzeń fazowa

b) rezonanse i szerokość rozpadu

c) świetlność wiązki zderzających się cząstek

IV. Źródła wysokoenergetycznych cząstek

1. Promieniowanie kosmiczne.

2. Akceleratory.

a) akceleratory liniowe

b) akceleratory cykliczne – synchrotrony

c) przykłady największych światowych akceleratorów

V. Detekcja cząstek

1. Fizyczne podstawy detekcji cząstek – oddziaływanie cząstek naładowanych i promieniowania z materią.

2. Detektory pojedynczych cząstek – liczniki i kamery.

3. Detektory kaskad i kalorymetry.

4. Detektory hybrydowe.

VI. Symetrie i prawa zachowania

1. Ciągłe transformacje czasoprzestrzenne i prawa zachowania energii, pędu i momentu pędu.

2. Transformacje dyskretne.

a) inwersja przestrzenna i parzystość P

• parzystość pionu

• zachowanie parzystości w oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych

b) sprzężenie ładunkowe C

3. Zachowanie liczby barionowej i leptonowej.

4. Zachowanie kwarkowej liczby zapachowej w oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych.

5. Odwrócenie czasu T i symetria CPT.

6. Izospin, dziwność i hiperładunek.

VII. Model kwarkowy hadronów

1. Grupa symetrii SU(2) i SU(3).

2. Nonet i dekuplet mezonów.

3. Oktet i dekuplet barionów.

4. Spin i kolor kwarków.

VIII. Oddziaływania hadron-hadron

1. Zachowanie dziwności i izospinu

2. Rezonanse hadronowe.

IX. Oddziaływania elektromagnetyczne leptonów i kwarków

1. Diagramy Feynmana QED.

2. Elastyczne rozpraszanie elektronów na nukleonach – funkcje struktury nukleonu.

3. Głęboko nieelastyczne rozpraszanie elektronów na nukleonach – partony.

X. Oddziaływania słabe

1. Klasyfikacja oddziaływań słabych.

2. Oddziaływania słabe w modelu Fermiego.

• rozpad neutronu

3. Łamanie parzystości.

4. Neutrina.

• skrętność neutrin

• metody obserwacji neutrin

5. Mieszanie kwarków.

a) macierz Cabbibo

b) mechanizm GIM

c) macierz CKM

d) odkrycie cząstki J/ i kwarków b oraz t

6. Obojętne mezony K.

a) stany mezonów K

b) oscylacje dziwności

c) niezachowanie CP

7. Mieszanie obojętnych mezonów D i B.

XI. Model standardowy

1. Lokalna symetria cechowania.

2. Spontaniczne łamanie symetrii i mechanizm Higgsa.

3. Cząstki i oddziaływania w modelu standardowym.

4. Oddziaływania elektrosłabe – model Weinberga-Salama.

a) funkcja Lagrange’a modelu standardowego

b) cząstki Higgsa

c) bozony pośredniczące Z i W

e) diagramy Feynmana oddziaływań słabych

f) eksperymentalne testy modelu standardowego

5. Oddziaływania silne kwarków – chromodynamika kwantowa (QCD)

a) doświadczenia wskazujące na istnienie kwarków i koloru kwarków

b) funkcja Lagrange’a QCD

c) diagramy Faynmana QCD

d) asymptotyczna swoboda i uwięzienie kwarków

6. Efektywne stałe sprzężenia oddziaływań elektromagnetycznych, słabych i silnych.

XII. Zjawiska wykraczające poza model standardowy

1. Powody poszukiwania ogólniejszej teorii.

2. Supersymetria, superstruny i dodatkowe wymiary.

3. Teorie wielkiej unifikacji.

4. Oscylacje neutrin i ich masy.

5. Związek fizyki cząstek elementarnych z kosmologią.

1.Perkins D. H.: Wstęp do fizyki wysokich energi, PWN 2004,

2.Leader E., Predazzi E.: Wstęp do teorii oddziaływań elementarnych, PWN 1990,

3.R. Mann, Introduction to Particle Physics and the Standard Model, CRC Press

2010 (darmowy dostęp on-line),

4.U. Ellwanger, From the Universe to Elementary Particles, Springer 2012 (dostęp springerlink).

WIEDZA

W1.zna i rozumie wybrane fakty, obiekty i zjawiska oraz teorie wyjaśniające złożone zależności między nimi, stanowiące podstawową wiedzę ogólną z zakresu poszczególnych działów współczesnej fizyki, m.in. astronomii, mechaniki klasycznej i relatywistycznej, (K_W01)

W2.zna i rozumie podstawy teoretyczne oraz wybrane zagadnienia, w tym twierdzenia, prawa i ich dowody, z w mechaniki klasycznej i relatywistyczne,(K_W02)

W3.zna i rozumie wybrane metody badawcze stosowane we współczesnej fizyce (K_W04),

W4. zna i rozumie w zaawansowanym stopniu aparat matematyczny niezbędny do opisu i analizy praw i teorii fizycznych, (K_W05)

UMIEJĘTNOŚCI

U1.potrafi wykorzystywać posiadaną wiedzę do formułowania i rozwiązywania złożonych i nietypowych problemów fizycznych oraz do wykonywania zadań w warunkach nie w pełni przewidywalnych, a także odnieść zdobytą wiedzę do pokrewnych dyscyplin naukowych, w tym chemii, informatyki, matematyki, techniki, (K_U01)

U2.potrafi samodzielnie planować i realizować własne uczenie się przez całe życie, (K_U10)

KOMPETENCJE

K1.jest gotów do krytycznej oceny posiadanej i nabywanej wiedzy naukowej z zakresu fizyki, (K_01)

K2.uznaje wiedzę za środek w rozwiązywaniu problemów poznawczych i praktycznych z zakresu fizyki oraz jest gotów do zasięgania opinii specjalistów w przypadku trudności z samodzielnym rozwiązaniem problemu, (K_02)