01.04.23 - Физика высоких энергий

ПРОГРАММА-МИНИМУМ
кандидатского экзамена по специальности
01.04.23 "Физика высоких энергий"
по техническим и физико-математическим наукам

Введение

В основу данной программы положены следующие дисциплины: астрофизика высоких энергий, экспериментальная техника для исследования процессов высоких энергий кинематика процессов взаимодействия и распада частиц, электромагнитные взаимодействия, общие свойства фундаментальных взаимодействий, сильные взаимодействия.

Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по физике при участии Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ им. М.В.Ломоносова, ГНЦ "Курчатовский институт" и Физического института РАН.

1. Астрофизика высоких энергий

1.1. Энергетический спектр первичного космического излучения и его основные особенности (форма спектра, неоднородности спектра и их возможные причины, полная энергия космического излучения, поступающего на Землю).
1.2. Ядерный состав первичных космических лучей и его особенности. Распространенность элементов во Вселенной и в космических лучах. Интерпретация различий.
Электроны, позитроны, фотоны и антипротоны в составе первичного космического излучения при разных энергиях.
1.3. Геомагнитные эффекты, их использование для определения энергетического спектра и заряда первичных космических частиц.
1.4. Свойства космического излучения вблизи поверхности земли и под землей (состав, интенсивность). Методика исследования космических частиц разных энергий (на спутниках Земли, в атмосфере, на горах и под землей).
1.5. Широкие атмосферные ливни и их свойства. Методы регистрации широких атмосферных ливней (в том числе по радио- и черенковскому излучению).
1.6. Основные источники космического излучения. Механизмы ускорения космических частиц.
1.7. Гамма-астрономия высоких и сверхвысоких энергий. Поиски гамма-излучения высокой энергии от остатков сверхновых звезд.
1.8. Большой Взрыв. Красное смещение. Реликтовое излучение, его энергетический спектр, происхождение.
1.9. Темная материя во Вселенной и ее возможная природа.
1.10. Регистрация потоков нейтрино низких энергий от вспышки сверхновой 8К 1987А на различных установках в мире.
1.11. Проблема верхней границы энергетического спектра космических протонов и ядер. Экспериментальные данные.

2. Экспериментальная техника для исследования процессов, протекающих при высокой энергии*

2.1. Методы ускорения частиц. Линейные и циклические ускорители: циклотрон, фазотрон, синхрофазотрон. Мезонные фабрики.
2.2. Коллайдеры, накопительные кольца. Устройство. Достоинства. Примеры действующих и проектируемых коллайдеров.
2.3. Крупнейшие действующие и проектируемые ускорители заряженных частиц.
2.4. Космические лучи как источник сверхвысоких энергий.
2.5. Метод рентгеноэмульсионных камер в космических лучах.
2.6. Детекторы частиц. Импульсные ионизационные и пропорциональные камеры, дрейфовые камеры, сцинтилляционные счетчики, микростриповые и падовые детекторы, пузырьковые камеры, черенковские счетчики, кольцевой черенковский спектрометр. Искровые и стриммерные камеры.
2.7. Методы идентификации частиц.
2.8. Методы измерения энергии: магнитные спектрометры, ионизационные калориметры, детекторы переходного излучения.
2.9. Основные требования, предъявляемые к трековым детекторам и калориметрам: геометрический фактор, пространственное и энергетическое разрешение.
2.10. Комплексные установки на ускорителях и в космических лучах. Примеры действующих и проектируемых установок.

3. Кинематика при анализе процессов взаимодействия и распада частиц*

3.1. Основные кинематические характеристики: энергия, импульс (поперечный и продольный, четырехимпульс). Мандельштамовские переменные: s, t, u , фейнмановская переменная x, бьеркеновские переменные, быстрота и псевдобыстрота.
3.2. Физические системы координат: система центра масс, лабораторная система, симметричная система и др. Связь характеристик частиц в этих системах: преобразования Лоренца. Инварианты лоренцсвских преобразований.
3.3. Внутренние квантовые числа: спин, изотопспин, лептонный и барионный заряды, странность, чарм, бьюти, топ - и законы их сохранения. Дискретная симметрия. Законы сохранения.
3.4. Дифференциальное и полное сечение реакций, матричный элемент, фазовый объем.
3.5. Особенности кинематики распада на две, три или более частиц.

4. Общие свойства фундаментальных взаимодействий

4.1. Электрослабые, сильные и гравитационные взаимодействия. Бегущие константы взаимодействий. Характерные эффективные сечения и другие особенности разных типов взаимодействий. Фундаментальные частицы и их роль в процессах взаимодействия.
4.2. Универсальный характер взаимодействий и Великое объединение.
4.3. Открытие позитрона, мюона, p -мезона, странных и очарованных частиц.
4.4. Фермионы (лептоны, кварки) и бозоны (глюоны, фотоны, W ⁺-, W ^--, Z ⁰-бозоны, гипотетический бозон Хиггса, мезоны и резонансы). Распады частиц под влиянием сильных, электромагнитных и слабых сил.
4.5. Открытие W ⁺-, W ^--, Z ⁰-бозонов. Открытие t-кварка.
4.6. Адроны (барионы, мезоны, резонансы) и ядра. Кварковая структура адронов.
4.7. Гипотеза суперсимметричных частиц. Великое объединение. Распад протона.
4.8. CP-нарушение и его экспериментальные проявления. CPT-теорема.
4.9. Распады нейтральных каонов. Углы смешивания Кабибо. Матрица Кабаяши-Маскавы. Осцилляции странности. Регенерация каонов.

5. Структура адронов

5.1. Магнитные моменты и g-фaкторы частиц.
5.2. Партонная структура нуклона из экспериментов по глубоконеупругому рассеянию eр, р, р: кварки, их спин и электрические заряды.
5.3. Валентные и морские кварки и глюоны и их структурные функции в адронах и ядрах. Методы их измерения. Бьеркеновский скейлинг. Квантовое число "цвет".
5.4. Свойства кварков и глюонов из экспериментов по электрон-позитронной аннигиляции в адроны: масса кварков, их спин и заряд, экспериментальное доказательство существования "цветного" заряда.
5.5. Проблема невылетания цвета (конфайнмент) и адронизация кварков.
5.6. Рассеяние электронов и нейтрино на нуклонах. Формулы Резерфорда, Мотта и Дирака.
5.7. Кварконий. Потенциальное описание цветовых взаимодействий. Основные положения квантовой хромодинамики. Механизм Дрелла-Яна.

6. Свойства лептонов

6.1. Электроны, мюоны, нейтрино (вейлевские, дираковские, майорана). Их заряды, массы, лептонные числа, спиральность, нарушение четности. Поколения лептонов и кварков и их возможное число. Методы определения (космологические и ускорительные).
6.2. Слабые взаимодействия при высоких энергиях. Универсальный характер слабых взаимодействий. Взаимодействия нейтрино с кварками. Заряженные и нейтральные токи. Сечения слабых взаимодействий.
6.3. Осцилляции нейтральных каонов и гипотеза нейтринных осцилляций. Осцилляции нейтрино в плотном веществе (эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна).
6.4. Солнечные нейтрино и их происхождение. Эксперименты Девиса и их результаты. Галлиевые детекторы. Примеры более поздних экспериментов по изучению потоков солнечных нейтрино и осцилляций (Камиоканде и др.).

7. Электромагнитные взаимодействия *

7.1. Тормозное и синхротронное излучение. Излучение Вавилова-Черенкова. Переходное излучение. Рождение электрон-позитронных пар фотонами. Энергетические зависимости сечений и потерь энергии.
7.2. Особенности прохождения заряженных частиц через вещество. Ионизационные потери энергии. Формула Бете-Гайтлера. Радиационная длина и критическая энергия.
7.3. Эффект Ландау-Померанчука-Мигдала.
7.4. Электронно-фотонный каскад. Основные результаты теории (число частиц в максимуме каскада, положение максимума, зависимость от энергии и атомного номера).
7.5. Каскад в атмосфере, радиус ливня, состав частиц. Связь с энергией первичной частицы.
7.6. Черенковское и радиоизлучение ливня. Примеры установок для изучения широких атмосферных ливней. Действующие и проектируемые установки для регистрации космических лучей предельно высоких энергий (ШАЛ-1000 и др.).
7.7. Обнаружение "излома" в энергетическом спектре первичного космического излучения при энергии 5·10⁶ ГэВ и его современное объяснение в диффузионной модели. Возможность галактической и внегалактической протонной астрономии при предельно высоких энергиях космических частиц (10⁹ - 10¹¹ ГэВ).

8. Стандартная Модель

8.1. Понятие о калибровочной природе сильных и электрослабых взаимодействий. Основные положения Стандартной Модели.
8.2. Экспериментальное обнаружение W ⁺-, W ^-- и Z ⁰-бозонов.
8.3. Роль гипотетического скалярного Хиггс-бозона в теории. Возможные эксперименты для его обнаружения в e ⁺ e ^-- и рр-столкновениях.

9. Сильные взаимодействия

9.1. Поперечные сечения процессов взаимодействия. Полные, упругие и неупругие поперечные сечения. Экспериментальное определение поперечных сечений разных процессов. Оптическая теорема. Предел Фруассара.
9.2. Зависимость поперечных сечений от природы и энергии соударяющихся частиц (экспериментальные данные и теоретические предсказания). Рассеяние частиц на ядрах. Формфакторы.
9.3. Множественное рождение частиц при высоких энергиях - универсальный процесс. Эксклюзивный, инклюзивный и эвентуальный способы анализа процессов. Основные характеристики процесса: множественность, импульсные и угловые распределения.
9.4. Основные механизмы адронных взаимодействий (дифракционные процессы, пионизация и фрагментация; кластеризация, эффект лидирования и относительное постоянство поперечного импульса). Струи. Асимметрия разлета вторичных частиц в системе центра масс столкновения мезонов и нуклонов. Фейнмановский скейлинг.
9.5. Открытие ядерно-каскадного процесса в космических лучах. Особенности адронных взаимодействий при сверхвысоких энергиях.
9.6. Взаимодействие адронов с ядрами и ядер с ядрами. Основные характеристики. Зависимость основных параметров столкновения от атомного номера Способы описания столкновений с ядрами: глауберовский подход, ядерно-каскадные модели, струнные модели, модель независимых столкновений.
9.7. Кварк-глюонная плазма и ее проявления.
9.8. Принципы построения моделей для описания процессов множественного рождения частиц в мягких процессах (статистические, гидродинамические модели, мультипериферические, кварк-глюонные и др.). Основные предсказания моделей.

Основная литература