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,
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
- Ахиезер А.И., Шульга Н.В. Электродинамика высоких энергий в веществе. М.: Наука, 1993.
- Мурзин В.С., Сарычева Л.И. Физика адронных процессов. М.: Энергоатомиздат, 1986.
- Гришин В.Г. Кварки и адроны во взаимодействиях частиц высоких энергий. М.: Энергоатомиздат, 1988.
- Ермолов П.Ф. Лептонные взаимодействия при высоких энергиях. М.: Изд-во МГУ, 1987.
- Окунь Л.Б. Введение в физику элементарных частиц. М.: Наука, 1992.
- Окунь Л.Б. Лептоны и кварки. М.: Наука, 1990.
- Перкинс Д. Введение в физику высоких энергий. М.: Энергоатомиздат, 1991.
- Мурзин В.С. Введение в физику космических лучей. 3-е изд. М.: Изд-во МГУ, 1988.
- Гольданский В.И., Никитин Ю.П., Розенталь И.Л. Кинематические методы в физике высоких энергий. М.: Наука, 1987.
- Христиансен Г.Б., Куликов Г.Б., Фомин Ю.А. Космическое излучение сверхвысоких энергий. М.: Наука, 1975.
- Физическая энциклопедия / Под ред. А.М. Прохорова. Т. 1 - 5. М.: Сов. энциклопедия; Большая российская энциклопедия, 1988 - 1998.