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____________________/ /