Основы фундаментальных взаимодействий

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ФТИ
___________ О.Ю. Долматов
«___»_____________2015 г.
БАЗОВАЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ОСНОВЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Направление (специальность) ООП 14.03.02 Ядерная физика и технологии
Номер кластера (для унифицированных дисциплин)_________________
Профиль(и) подготовки (специализация, программа) _______________
Физика атомного ядра и частицка
Квалификация (степень) __________бакалавр______________
Базовый учебный план приема ___2015____ г.
Курс____4___ семестр ____7 ____
Количество кредитов __2____
Код дисциплины____Б1.ВМ5.1.7.____
Виды учебной
деятельности
Лекции, ч
Практические занятия, ч
Лабораторные занятия, ч
Аудиторные занятия, ч
Самостоятельная работа, ч
ИТОГО, ч
Временной ресурс по очной форме обучения
16
16
32
76
108
Вид промежуточной аттестации __зачёт в 7 семестре__________
Обеспечивающее подразделение__кафедра Прикладная физика ФТИ____
Заведующий кафедрой ПФ
_____________
А.Р. Вагнер
Руководитель ООП
_____________
Д.С.Исаченко
Преподаватель
_____________
В.А.Трясучёв
2015 г.
Цели: формирование культуры физического мышления и навыков самостоятельного
использования теоретической физики в профессиональной деятельности.
1. Цели и задачи курса.
Теоретическая физика является одной из фундаментальных дисциплин для
студентов данного направления. Современный техник, инженер и научный
работник должен обладать логическим мышлением, а также знать структуру
материи и фундаментальные взаимодействия.
Цели освоения дисциплины «Основы фундаментальных взаимодействий»
познакомиться с основными проблемами физики элементарных частиц и
современными направлениями их решения.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Основы фундаментальных взаимодействий» относится к
профессиональному циклу. Для успешного освоения дисциплины
потребуются входные знания по высшей математике, атомной физики,
ядерной физике, взаимодействию излучений с веществом. В связи с этим,
необходимы следующие пререквизиты:
 высшая математика;
 атомная физика;
 ядерная физика;
 взаимодействие излучений с веществом;
 электродинамика;
Содержание
разделов
дисциплины
«Основы
фундаментальных
взаимодействий» согласовано с содержанием дисциплин, изучаемых
параллельно:
Экспериментальные методы ядерной физики
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины «Основы
фундаментальных взаимодействий» направлено на формирование у
студентов следующих профессиональных компетенций:
Студент должен:
иметь представление:
 о лептонах, адронах и калибровочных бозонах «Стандартная
модель»;
 о кварках и их взаимодействии (КХД);
 о кварковой структуре адронов;
 о моделях приобретения масс фермионами;
 об уравнении Дирака;
 о теории слабых взаимодействии Вайнберга, Салама, Глэшоу и
обретении масс калибровочными бозонами в поле Хиггсаов;
 о суперсимметричных теориях элементарных частиц (SUSY);
 о современной космологии.
знать
 что такое «Стандартная модель» элементарных частиц;
 кварковое строение адронов: мезонов и барионов;
 сложение (упрощённое) угловых моментов кварков;
 что такое конфайнмент кварков в адронах;
 что такое асимптотичская свобода кварков в адронах;
 возбуждённые состояния мезонов и барионов и их обозначения;
 кварковые диаграммы взаимодействий и распадов адронов;
 слабое взаимодействие и кванты слабого взаимодействия W-бозоны;
 обнаружение реакторных нейтрино;
 типы нейтрино, осцилляции нейтрино иерархию масс нейтрино;
 двойной бета-распад ядер;
 безнейтринный двойной бета-распад ядер и майорановское
нейтрино;
 C- и P - и C P- преобразования;
 угол смешивания Кабиббо s и d кварков для слабого взаимодействия;
 матрица смешивания Кабиббо, Кобаяши, Маскава (KKM-матрица);
 модель Намбу—Иона-Ласинио обретения масс фермионами;
 уравнение Эйнштейна для гравитационного поля;
 «Стандартная модель» космологии ( по А. Фридману);
 что такое инфляция в модели Большого взрыва;
 тёмная материя и её поиски на основе микроскопических моделей;
 тёмная энергия во Вселенной,
4. Структура и содержание дисциплины
Задачи изложения и изучения дисциплины реализуются в следующих формах
деятельности:
 лекции, нацеленные на получение необходимой информации и ее
использовании при решении практических задач;
 практические
занятия,
направленные
на
активизацию
познавательной деятельности студентов и приобретения ими
навыков решения практических и проблемных задач;
 набор компьютерных демонстраций (программа “Компьютерная
лаборатория”): 1) для визуального восприятия процессов переноса
ионизирующих излучений в веществе с целью закрепления
теоретического материала, 2) для расчетов характеристик
излучения, взаимодействующего с веществом;
 лабораторные работы на основе программы «Компьютерная
лаборатория» – для практических расчетов защиты и характеристик
радиационных полей от различных источников ионизирующих
излучений;
 консультации – еженедельно для всех студентов для сдачи заданий,
которые выполняются на практических занятиях и во время
самостоятельной работы;
 самостоятельная
внеаудиторная
работа
направлена
на
приобретение навыков самостоятельного решения задач по
дисциплине и реализуется в виде специальных практических
заданий по всем разделам дисциплины;
 текущий контроль за работой студентов осуществляется на
лекционных и практических занятиях в виде самостоятельных работ
для оценки степени усвоения материала, а также в виде
индивидуальной защиты специальных заданий;
 рубежный контроль включает контрольные работы, которые
проводятся в стандартные сроки этого контроля в ТПУ;
Контроль знаний студентов проводится в рамках рейтинговой системы,
принятой в ТПУ. Допуск к экзамену получают студенты, набравшие не менее
33 баллов по всем видам контроля.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Темы занятий
Основные
черты
фундаментальных
взаимодействий
–
электромагнитных и гравитационных. Элементарные частицы.
Лептоны, адроны, калибровочные бозоны.
Лептоны. Бета-распад ядер. Гипотеза Паули и обнаружение нейтрино в
эксперименте Коуэна-Райнеса. Семейства лептонов (л).
Составные модели адронов. Модель Сакаты. Модель Гелл-Манна и
Цвейга на основе трех фундаментальных частиц. Взаимодействие
кварков: цветовой заряд, глюоны. КХД. Поля Янга-Миллса: абелево
(эл/м), неабелево (цветовое). Конфайнмент и асимптотическая свобода
кварков в адронах (л.). Цветные кварки и белые адроны, барионы,
ядра. Мезонная теория ядерных взаимодействий Юкавы и её связь с
КХД. Предсказания Маскавы, Кобаяши и краткая история открытия
кварков с ароматами с, b, и t.
Кварковый состав и строение адронов. Упрощённое сложение угловых
моментов. Р-четность. Таблицы построенных из кварков мезонов.
Псевдоскалярные,
псевдовекторные, странные, чармированные,
прелестные и правдивые мезоны. Изоспин мезонов. Основные и
возбужденные состояния мезонов (пр.).
Таблицы барионов, построенных из кварков. Изоспин барионов.
Основные и возбужденные состояния барионов. N и Δ -резонансы.
Обозначения возбужденных состояний барионов (пр.).
Поколения фундаментальных частиц. «Стандартная модель» (л).
Кварковые диаграммы взаимодействия адронов.
Слабые взаимодействия. Калибровочная теория Вайнберга, Салама и
Глэшоу.
Механизм обретения масс W-бозонами (л). Хиггс бозоны.
10. C-инверия и C-чётность. Нарушение P-инверсия и P-чётность. CPчётности в слабых взаимодействиях. Идеи Каббибо и МаскавыКобаяши. Матрица ККМ (л).
11.Кварковые диаграммы распадов элементарных частиц (пр).
12.Массы нейтрино из измерений «end point» спектров электронов от
бетта-распадов ядер и двойной бета-распад ядер (л).
13.Теория осцилляции нейтрино. Иерархия масс нейтрино и прочее (л-пр).
14.Теория сверхпроводимости КБШ. Приобретение масс бесмассовыми
фермионами в модели Намбу-Иоана-Ласиниу (Nambu– Jona-Lasino) (л).
15. SUSY-теории (пр).
16. Уравнение Дирака для частиц со спином ½ ħ (л).
17. Уравнение Дирака (пр).
18. Космология. Уравнение Эйнштейна. Космологическая константа в
уравнении Эйнштейна. Решения А. Фридмана уравнения Эйнштейна и
«Стандартная модель» расширяющейся Вселенной (космологическая).
Проблема горизонта. Большой взрыв. Инфляционная модель
Старабинского -Линде (расширяющееся скалярное поле по де-Ситтеру
и ненулевое среднее поле) (л).
19. Темная материя и темная энергия. Вакуум Эйнштейна – Глинера.
20. Происхождение Вселенной в теории струн.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
5. Образовательные технологии
При изучении дисциплины «Основы фундаментальных взаимодействий»
используются образовательные технологии, отмеченные в табл. 2.
Таблица 2
Методы и формы организации обучения
Методы
IT-методы
Работа в команде
Case-study
Игра
Методы проблемного
обучения
Обучение на основе опыта
Опережающая
самостоятельная работа
Проектный метод
Поисковый метод
Исследовательский метод
Другие методы
* – Тренинг, ** – мастер-класс
Лекц.
Лаб.
раб.
Пр. зан./
сем.,
Тр.*,
Мк**
СРС







6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной
работы студентов (76 часов)
6.1. Виды и формы самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов включает текущую и творческую
проблемно-ориентированную самостоятельную работу (ТСР).
Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента,
развитие практических умений и включает:
 самостоятельное изучение теоретического материала по учебному
пособию преподавателя и по материалам других учебников (46 ч);
 выполнение домашних контрольных работ (5 ч);
 подготовка к самостоятельным работам (5 ч);
 выполнение специальных практических заданий (10 ч).
Творческая самостоятельная работа включает:
Творческая самостоятельная работа включает:
 проведение расчетов характеристик поля излучения и защиты с
помощью программы «Компьютерная лаборатория» (10 ч).
6.2. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим
образом:
1. оценка домашних контрольных работ;
2. оценка при защите специальных заданий с теоретическими вопросами
и задачами;
3. оценка при защите результатов моделирования.
7. Рейтинг качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и
промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с
«Руководящими материалами по текущему контролю успеваемости,
промежуточной
и
итоговой
аттестации
студентов
Томского
политехнического университета», утвержденными приказом ректора № 77/од
от 29.11.2011 г.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
 текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического
материала ответы на вопросы и др.) и результаты практической
деятельности (решение задач, выполнение заданий, решение проблем и
др.) проводится в течение семестра (оценивается в баллах
(максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент
должен набрать не менее 33 баллов);
 промежуточная аттестация (зачёт) проводится в конце семестра и
оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на зачёте студент
должен набрать не менее 22 баллов.
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов,
полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный
итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
8 Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная
Основная
1. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М.: Наука.2009. С.728.
2. Барсуков О.А. Основы физики атомного ядра. Ядерные технологии. М.:
ФИЗМАТЛИТ, 2011. - 560 с. - ISBN 978-5-9221-1306-9.
3. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика: учебник в 3-х томах. СПб.:
Лань, 2008.
4. Экспериментальная ядерная физика: учебник: в 3-х томах / К. Н. Мухин. — 6-е
изд., испр. и доп.. — СПб.: Лань, 2008 Т. 3: Физика элементарных частиц. — 2008.
— 432 с.: ил.. — Список литературы: с. 394-395. — Алфавитно-предметный
указатель: с. 396-400.. — ISBN 978-5-8114-0741-5.
Дополнительная
1. Физика элементарных частиц в преддверии Большого андронного коллайдера :
летняя школа, 10-20 августа 2009 г. г. Протвино. — Москва: ЛЕНАНД, 2011. — 400
с.: ил.. — Библиография в конце докладов.. — ISBN 978-5-9710-0411-0.
2. Элементарное введение в физику элементарных частиц / Л. Б. Окунь. — 3-е изд.,
испр. и доп.. — Москва: Физматлит, 2009. — 128 с.: ил.. — Библиогр.: с. 122. —
Предметный указатель: с. 123-127.. — ISBN 978-5-9221-1070-9.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
При проведении практических занятий и чтении лекций используется, корпоративная
компьютерная сеть и сеть ИНТЕРНЕТ.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с
требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки Физика
атомного ядра и частиц.
Программа одобрена на заседании кафедры Прикладная физика
(протокол № ____ от «___» _______ 2015 г.).
Автор
____________________ /В.А. Трясучев/
Рецензент____________________/
/