Л.И. Сарычева

ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ МИКРОМИРА — ФИЗИКА ЧАСТИЦ И ЯДЕР

В публикации положен курс лекций, прочитанных автором для студентов 3-го курса астрономического отделения физического факультета МГУ.
В html-варианте исправлены замеченные опечатки.

1. Введение

• Краткая история изучения элементарных частиц и ядер
• Энергетическая шкала в природе − квантовая лестница
  • Использование основных закономерностей теории относительности
  • Применение квантовой теории в физике частиц
• Квантовые свойства частиц
  • Дуальность: волна = частица
  • Уровневая структура энергетических спектров − квантовый эффект
• Количественные пределы применимости классических понятий
• Квантово-полевые теории в физике частиц
• Основные физические и астрофизические константы

2. Фундаментальные частицы и взаимодействия

• Основные физические величины, использующиеся при описании явлений, происходящих в микромире
  • Система Хэвисайда и ее связь с системой СГС
  • Планковские (естественные) единицы
• Классификация элементарных частиц
• Полевой подход к проблеме взаимодействий
  • Свойства фундаментальных взаимодействий
  • Константы взаимодействий и последствия их сравнения друг с другом
  • Константа сильного взаимодействия
• Свойства основных типов взаимодействий для фундаментальных фермионов
• Стандартная Модель физики частиц
• Кинематика
  • Системы координат. Преобразования Лоренца
  • Инварианты лоренцевских преобразований

3. Эксперименты в физике частиц при изучении разных типов взаимодействий

• Экспериментальная техника − ускорительные комплексы
• Методы измерения поперечных сечений в разных типах взаимодействий
• Методы измерения поперечных сечений в сильных взаимодействиях
  • Метод пропускающих счетчиков
  • Метод измерения полного сечения на ускорителе с пересекающимися пучками по светимости пучков
  • Измерение сечений pp-взаимодействий на встречных пучках с использованием Римских горшков
  • Метод измерения сечений в космических лучах

4. Результаты измерения поперечных сечений разных типов взамодействий

• Результаты измерения поперечных сечений в сильных взаимодействиях
• Интерпретация зависимости σ_tot(E)
• Результаты измерения поперечных сечений в электромагнитных взаимодействиях
• Слабые взаимодействия
  • Осцилляции нейтрино и его масса
  • Поперечное сечение для слабых взаимодействий
  • Электрослабые взаимодействия
• Гравитационное взаимодействие

5. Взаимодействие частиц с веществом — потери энергии

• Потери энергии заряженными частицами
• Процессы, происходящие с фотонами в веществе
• Электромагнитные каскады

6. Способы измерения масс частиц и ядер

• Метод определения масс ядер − масс-спектроскопия
• Методы определения масс элементарных частиц
  • Метод времени пролета − определение скорости частицы
  • Метод инвариантных масс
  • Метод многократного измерения ионизационных потерь
  • Переходное излучение
  • Черенковское излучение
• Детекторы в физике частиц и ядер
  • Сцинтилляторы
  • Черенковские детекторы
  • Детекторы переходного излучения
  • Многошинные камеры
  • Кремниевые полупроводниковые детекторы
  • Времяпроекционные камеры
  • Калориметры
  • Сверхпроводящие соленоиды для коллайдерных детекторов

7. Структура материи

• Электрон − точечная частица
• Определение размеров ядер
• Структура нуклона
  • Упругое рассеяние
  • Глубоконеупругое рассеяние
• Свойства кварков и глюонов из экспериментов по е⁺е^--аннигиляции
  • Спин кварка
  • Рождение глюонных струй как следствие излучения глюона кварком
  • Наличие цвета у кварка
  • Определение потенциала взаимодействия между кварками

8. Эмпирические особенности ядер и частиц

• Статические характеристики атомных ядер
• Энергия связи
• Протон-нейтронная диаграмма
• Спин и магнитный момент ядра
• Квадрупольный электрический момент ядра
• Изотопический спин
• Законы сохранения

9. Ядерные модели

• Модель жидкой капли
• Модель Ферми-газа
• Оболочечная модель ядра
• Обобщенная модель ядра
• Оптическая модель ядра
• Модель Глаубера
• Гидродинамические модели

10. Ядерные превращения спонтанные и инициируемые

• Радиоактивный распад
• Вероятности переходов и период полураспада
• Среднее время жизни и ширина уровня
• Искусственная радиоактивность

11. Ядерные реакции

• Законы сохранения
• Механизмы ядерных реакций
• Открытие нейтрона и его свойства
• Источники нейтронов
• Ядерные реакторы, цепная ядерная реакция
• Реакции слияния, синтез легких ядер

12. Ядерные реакции на Солнце и в звездах

• Процессы на Солнце
• Хлор-аргоновый метод регистрации нейтрино от Солнца
• Стандартная модель Солнца
• Галлий-германиевый и другие методы
• Дефицит нейтрино от Солнца
• Астрофизические следствия экспериментов по обнаружению нехватки нейтрино от Солнца

13. Эволюция звезд

14. Происхождение химических элементов

• Этапы синтеза элементов
• Ядерный синтез — синтез легких элементов (Н, D, ³He, ⁴He, ⁷Li ) в ранней Вселенной
• Синтез ядер в звездах Главной Последовательности при T < 10⁸ K
• Синтез ядер при T > 2^.10⁸ K
• Образование ядер тяжелее железа

15. Модель Большого Взрыва

• Стандартная космологическая модель Большого Взрыва
• Главные научные открытия в астрофизике
• Возможности современных ускорителей подтвердить модель Большого Взрыва
• Астрофизика элементарных частиц
• О природе материи во Вселенной
• Нейтринная астрономия
  • Свойства нейтрино
  • Эксперименты с нейтрино и планирование их практического применения
  • Эксперименты для регистрации нейтрино от взрывающихся звезд
  • Томография Земли

16. Экзотические частицы

• Хиггс-бозоны
• Суперсимметричные частицы (SUSY-частицы)
• Магнитные монополи
  • Поиски монополей
• Тахионы
• Аксионы
• WIMP-частицы

17. Космические лучи

• История исследования
• Методы исследования космического излучения
• Энергетический спектр первичного космического излучения
• Природа первичного космического излучения
• Космические лучи в атмосфере Земли
• Экзотические события в космических лучах
  • Кентавр-события
  • Компланарность