Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Cząstki elementarne i oddziaływania
Tok studiów:
2018/2019
Kod:
JFT-1-604-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Fizyka Techniczna
Semestr:
6
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Osoba odpowiedzialna:
dr inż. Obłąkowska-Mucha Agnieszka (amucha@agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
dr inż. Obłąkowska-Mucha Agnieszka (amucha@agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

Na tym kursie omówione są elementarne składniki materii (leptony i kwarki) wraz z oddziaływaniami, jakie je łączą. Dyskutowane są wyniki doświadczalne potwierdzające Model Standardowy.

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń)
Wiedza
M_W001 Student posiada wiedzę o oddziaływaniach fundamentalnych i elementarnych składnikach materii. FT1A_W01, FT1A_W03 Egzamin
M_W002 Student zna i rozumie pojęcia i opis matematyczny niezbędny do wykonania obliczeń prezentowanych na wykładzie. FT1A_W04, FT1A_W05, FT1A_W01 Aktywność na zajęciach
M_W003 Student zna fizyczne podstawy metod detekcji cząstek. FT1A_W07, FT1A_W02, FT1A_W01, FT1A_W03 Egzamin
M_W004 Student zna aktualnie prowadzone eksperymenty fizyki wysokich energii FT1A_W03 Egzamin
Umiejętności
M_U001 Student potrafi przeprowadzać obliczenia z mechaniki relatywistycznej opisujące zderzenia i rozpady cząstek. FT1A_U01 Aktywność na zajęciach
M_U002 Student umie omówić podstawowe detektory składające się na wielozadaniowy uniwersalny detektor cząstek FT1A_U03, FT1A_U01, FT1A_U05, FT1A_U02 Egzamin
M_U003 Student umie powiązać badania nad cząstkami z konkretnym eksperymentem FT1A_U01, FT1A_U02 Wykonanie projektu
M_U004 Student umie opisać sposób i przebieg analizy danych doświadczalnych. FT1A_U03, FT1A_U07, FT1A_U01, FT1A_U02, FT1A_U04 Aktywność na zajęciach
Kompetencje społeczne
M_K001 Student potrafi pracować w zespole. FT1A_K01 Aktywność na zajęciach
M_K002 Student potrafi przygotować i przekazać opis pracy. FT1A_K03 Aktywność na zajęciach
Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Inne
E-learning
Wiedza
M_W001 Student posiada wiedzę o oddziaływaniach fundamentalnych i elementarnych składnikach materii. + + + + - - - - - - -
M_W002 Student zna i rozumie pojęcia i opis matematyczny niezbędny do wykonania obliczeń prezentowanych na wykładzie. + + + + - - - - - - -
M_W003 Student zna fizyczne podstawy metod detekcji cząstek. + - + + - - - - - - -
M_W004 Student zna aktualnie prowadzone eksperymenty fizyki wysokich energii + - + + - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Student potrafi przeprowadzać obliczenia z mechaniki relatywistycznej opisujące zderzenia i rozpady cząstek. + + - - - - - - - - -
M_U002 Student umie omówić podstawowe detektory składające się na wielozadaniowy uniwersalny detektor cząstek + - + + - - - - - - -
M_U003 Student umie powiązać badania nad cząstkami z konkretnym eksperymentem + - + + - - - - - - -
M_U004 Student umie opisać sposób i przebieg analizy danych doświadczalnych. - - + + - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Student potrafi pracować w zespole. - - + + - - - - - - -
M_K002 Student potrafi przygotować i przekazać opis pracy. - - + + - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:
  1. Przegląd poglądów na budowę materii (2h).

    Poglądy starożytnych. Atom Thomsona. Doświadczanie Rutherforda. Rozpraszanie wysokoenergetycznych cząstek naładowanych.

  2. Podstawowe pojęcia opisujące zderzenia cząstek (2h)

    Funkcja falowa. Niezmienniki relatywistyczne. Zderzenia ze stałą tarczą i wiązek przeciwbieżnych. Amplituda. Przekrój czynny.

  3. Źródła cząstek o wysokich energiach (2h).

    Promieniowanie kosmiczne. Akceleratory: liniowe i kołowe. LHC.

  4. Metody detekcji cząstek (2h).

    Przypomnienie o oddziaływaniach promieniowania z materią. Przegląd detektorów gazowych i półprzewodnikowych. Wyznaczanie toru, pędu i energii cząstek. Sposoby identyfikacji cząstek. Budowa wielozadaniowego, uniwersalnego detektora.

  5. Oddziaływania elektromagnetyczne (2h).

    Oddziaływania poprzez wymianę wirtualnej cząstki. Antycząstki Diraca. Diagramy Feynmana podstawowych procesów elektromagnetycznych. Polaryzacja próżni. Przykładowe wyniki doświadczalne.

  6. Rozpraszanie elektron-proton (2h)

    Rozpraszanie elastyczne elektronu na protonie. Rozpraszanie głęboko nieelastyczne. Model partonowy. Elektrodynamika kwantowa. Porównanie z wynikami eksperymentalnymi.

  7. Model kwarkowy (2h).

    Funkcja falowa hadronów. Spin i parzystość. Izospin. Masy hadronów. Weryfikacja na gruncie doświadczalnym. Odkrycie ciężkich kwarków. Spektrum kwarkonium.

  8. Oddziaływania silne (2h).

    Ładunek kolorowy. Uwięzienie kwarków. Gluony. Biegnąca stała sprzężenia. Elementy chromodynamiki kwantowej. Dowody doświadczalne.

  9. Oddziaływania słabe (2h).

    Teoria Fermiego. Ciężkie bozony pośredniczące. Parzystość C, P. Skrętność. Mieszanie kwarków. Słaby izospin.

  10. Model Standardowy (2h).

    Teoria Małej Unifikacji oddziaływań elektrosłabych. Prądy naładowane i neutralne. Spontaniczne łamanie symetrii. Pomysł na bozon Higgsa.

  11. Fizyka elektrosłaba na LEPie (2h).

    LEP – zespoły przyspieszające, program fizyczny. Wyznaczenie liczby rodzajów neutrin. Omówienie bardzo precyzyjnych testów Modelu Standardowego.

  12. Poszukiwanie cząstki Higgsa i LHC (2h).

    Procesy z udziałem bozonu Higgsa. Aktualny przegląd wyników doświadczalnych zebranych przez detektory na LHC.

  13. Łamanie parzystości CP (2h).

    Omówienie teorii wyjaśniających brak antymaterii. Macierz CKM. Konsekwencje łamania parzystości kombinowanej CP. Bieżące wyniki doświadczalne.

  14. Neutrina (2h).

    Podział i pochodzenie neutrin. Sposoby rejestracji neutrin. Czy neutrina mają masę? Najważniejsze ośrodki badawcze fizyki neutrin.

  15. Nowe trendy i teorie (2h).

    Supersymetria. Nowe wymiary. Poszukiwanie Nowej Fizyki. Kosmologia

Ćwiczenia audytoryjne:
  1. Dozwolone procesy elementarne, zasady zachowania (2h).

    -student potrafi wymienić i zastosować zasady zachowania liczb kwantowych występujące w podanych reakcjach,
    -student potrafi obliczyć podstawowe parametry doświadczalne w układzie naturalnym.

  2. Opis relatywistycznych zderzeń (2h).

    -student potrafi obliczyć niezmienniki relatywistyczne.
    -student umie przeprowadzić obliczenia energii zderzeń w układzie środka masy wiązek i laboratoryjnym.
    -student potrafi obliczyć energią potrzebną do obserwacji pewnych procesów (np. produkcji ciężkich cząstek).

  3. Wyznaczenie przekrojów czynnych (2h).

    - student potrafi opisać amplitudę dla podstawowych procesów elektromagnetycznych i obliczyć przekrój czynny dla niektórych reakcji.
    - student umie wyznaczyć stosunki przekrojów czynnych dla prostych procesów silnych w oparciu o symetrię izospinowi.

Ćwiczenia laboratoryjne:
  1. Oddzialywania słabe (2h).

    - student umie określić rodzaj oddziaływania podanych reakcji i wybrać spośród nich procesy słabe.
    - student potrafi narysować i objaśnić diagramy Feynmana dla procesów słabych oraz uzasadnić częstość ich występowania.

  2. Testy Modelu Standardowego (2h).

    -student zna i rozumie obliczenia związane z wyznaczaniem niektórych parametrów Modelu Standardowego w oparciu o program fizyczny LEP i LHC.

  3. Pakiet ROOT

    Zapoznanie z pakietem ROOT w celu wykonania analizy danych doświadczalnych.

Ćwiczenia projektowe:
Analiza danych doświadczalnych zebranych przez detektory na LHC (3h).

Praca polega na opracowaniu kryteriów i wykonaniu selekcji przypadków w celu obserwacji jednego z długożyciowych mezonów (K, B lub D) spośród wstępnie wybranych danych doświadczalnych zebranych przez spektrometr LHCb.
Projekt wykonywany jest w na komputerach przy użyciu pakietu do analizy ROOT (freeware).
Efekty kształcenia:
- student zna podstawowe metody pracy w międzynarodowym eksperymencie,
- student potrafi wykonać analizę danych doświadczalnych zebranych przez wielozadaniowy spektrometr.

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 110 godz
Punkty ECTS za moduł 4 ECTS
Udział w wykładach 30 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 28 godz
Udział w ćwiczeniach audytoryjnych 6 godz
Przygotowanie do zajęć 14 godz
Wykonanie projektu 30 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

Oceny z ćwiczeń rachunkowych © oraz z egzaminu (E) obliczane są następująco: procent uzyskanych punktów przeliczany jest na ocenę zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.
Ocena końcowa (OK) obliczana jest jako średnia ważona ocen z egzaminu (E) , ćwiczeń audytoryjnych © oraz z ćwiczeń projektowych:
OK = 0,5 x E + 0,25 x C + 0,25 x P

Wymagania wstępne i dodatkowe:

1.Znajomość matematyki i fizyki na poziomie pierwszych lat studiów inżynierskich.
2.Znajomość podstaw fizyki jądrowej.
3.Podstawowa wiedza dotycząca oddziaływania promieniowania jonizującego z materią.
4.Podstawowa umiejętność posługiwania się komputerem i programowania obiektowego.
5.Znajomość metod statystyki inżynierskiej.

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

D.H.Perkins „Wstęp do fizyki wysokich energii” PWN, Warszawa 2004
B.R.Martin, G.Shaw „Particle Physics” Wiley&Sons 2002
A.Bettini “Introduction to Elementary Particle Physics” Cambridge Univ.Press 2008
D.Halliday, R.Resnick,J.Walker „Podstawy fizyki” t.5 PWN, Warszawa 2005

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

A. Oblakowska-Mucha et al. (LHCb Collaboration) Measurement of CP violation and B0s meson decay width difference with B0s→J/ψK+K- and B0s→J/ψπ+π- decays. Phys. Rev. D 87 (2013) 112010, 1-21

A. Oblakowska-Mucha et al. (LHCb Collaboration) Measurement of CP violation and constraints on the CKM angle γ in B± → D+K± with D → K0sπ+π- decays. Nucl. Phys. B888 (2014) 169-193

A. Oblakowska-Mucha et al. (LHCb Collaboration) Measurement of the time-dependent CP asymmetries in B0s→J/ψ K0s. JHEP 6 (2015) 131, 1-22

A. Oblakowska-Mucha et al. (LHCb Collaboration) Model-independent measurement of the CKM angle γ using B0→DK*0 decays with D→K0sπ+π- and K0sK+. JHEP06 (2016) 131, 1-31

A. Oblakowska-Mucha (on behalf of LHCb Collaboration) Selected CPV Results from LHCb Run 1 and Prospects for CKM γ Angle Measurements in Run 2. Acta. Phys. Pol. B47 (2016) 6, 1553-1562

A.Affolder et al., (A. Obłąkowska-Mucha, T. Szumlak) Radiation damage in the LHCb Vertex Locator.
JINST 8 (2013) P08002, 1-22

Informacje dodatkowe:

Sposób i tryb wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

ćwiczenia audytoryjnych: Nieobecność na jednych ćwiczeniach zajęciach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału. Nieobecność na więcej niż jednych ćwiczeniach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału i jego zaliczenia w formie pisemnej w wyznaczonym przez prowadzącego terminie lecz nie później jak w ostatnim tygodniu trwania zajęć. Student który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż dwa ćwiczenia i jego cząstkowe wyniki w nauce były negatywne może zostać pozbawiony, przez prowadzącego zajęcia, możliwości wyrównania zaległości.
Obecność na wykładzie: zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.

Zasady zaliczania zajęć:

ćwiczenia audytoryjne: Podstawowym terminem uzyskania zaliczenia jest koniec zajęć w danym semestrze. Student może dwukrotnie przystąpić do poprawkowego zaliczania.
Student który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż dwa zajęcia i jego cząstkowe wyniki w nauce były negatywne może zostać pozbawiony, przez prowadzącego zajęcia, możliwości poprawkowego zaliczania zajęć. Od takiej decyzji prowadzącego zajęcia student może się odwołać do prowadzącego przedmiot (moduł) lub Dziekana.

Warunkiem przystąpienie do egzaminu jest wcześniejsze uzyskanie zaliczenia z ćwiczeń audytoryjnych.

Egzamin przeprowadzany jest zgodnie z Regulaminem Studiów AGH § 16.