Partikelfysik, kosmologi och acceleratorer
Particle Physics, Cosmology and Accelerators

EXTF85, 7.5 högskolepoäng, G2 (Grundnivå, fördjupad)

Gäller för: 2024/25
Fakultet: Lunds tekniska högskola
Beslutad av: Programledning N
Beslutsdatum: 2024-04-10
Ikraftträdande: 2024-05-08

Allmänna uppgifter

Fördjupning: Grundnivå, kurs/er som inte kan klassificeras
Valfri för: F4, F4-axn
Undervisningsspråk: Kursen ges på begäran på engelska

Syfte

Kursens syfte är att ge en övergripande redogörelse för de fundamentala upptäckter, som gjorts inom partikelfysiken de senaste decennierna och som lett fram till dagens bild av materiens uppbyggnad baserad på subnukleära beståndsdelar. En introduktion till de kvantfältteorier som utvecklats för att beskriva växelverkan mellan materiens byggstenar ges. Vidare kommer de grundläggande begreppen inom acceleratorteknologin samt den experimentella tekniken som används i dagens elektroniska detektorer att gås igenom. I kursen ingår också en laboration, som avser att mäta livstiden hos kosmiska muoner.

Mål

Kunskap och förståelse
För godkänd kurs skall studenten

• Kunna beskriva grundläggande begrepp i speciell relativitetsteori. 
• Kunna beskriva materiens struktur i termer av kvarkar, leptoner och kraftförmedlare. 
• Kunna beskriva grundläggande teorier och experimentella bevis som ligger till grund för den grundläggande växelverkan i standardmodellen (starka och elektrosvaga krafterna). 
• Kunna förklara de grundläggande elementen i Higgs bosonteori och dess experimentella bevis. 
• Kunna förklara orsakerna till att det finns förutsagda fenomen bortom standardmodellen och redogöra för vilka ledande teorier som kan förklara dem.
• Kunna beskriva hur partikelfysik, kosmologi och astrofysik är kopplade i termer av förståelse för de största obesvarade frågorna i universum (t.ex. mörk materia).
• Kunna beskriva de viktigaste växelverkningar som är relevanta för att identifiera partiklar och mäta deras egenskaper och hur detta används i moderna partikeldetektorer.
• Kunna förklara de grundläggande principerna bakom partikelacceleratorer och deras användning för forskning och samhälle, särskilt de i Lund (MAX, ESS) och Large Hadron Collider. 

Färdighet och förmåga
För godkänd kurs skall studenten

• Kunna utföra kvantitativa beräkningar av reaktioner och sönderfall med relativistisk kinematik och använd metoden med 4-rörelsemängd för kvantitativa kinematiska beräkningar.
• Kunna illustrera partikelreaktioner och deras sönderfall med Feynman-diagram. 
• Kunna tillämpa konserveringslagar baserade på standardmodellen på reaktioner och sönderfall.
• Kunna använda ett elektroniskt detekteringssystem för muoner från den kosmiska strålningen och mäta muonens sönderfallstid.
• Kunna utföra en enkel dataanalys i Python genom att skriva ett program för att bestämma livstiden för muonen med hjälp av data från experimentella mätningar och för att generalisera livstidsmätningar på tidsskalor för svaga sönderfall.
• Kunna muntligt och skriftligt presentera en rapport inom ämnet partikelfysik därstudenterna har inhämtat kunskap tillsammans och delat upp uppgifterna. 

Värderingsförmåga och förhållningssätt
För godkänd kurs skall studenten

• Kunna diskutera varför vår kunskap om universum är ofullständig och hur vi kan söka svar med observationer och experiment av partiklar, kosmologi och astropartikelfysik .
• Kunna kritiskt utvärdera och förklara hur verktygen som används för att svara på stora frågor inom partikelfysik har betydelse för samhället och vardagen. 

Kursinnehåll

Kursen består av tre olika teman:

Tema 1: Speciell relativitet

I den första delen av kursen lär sig studenterna om speciell relativitet, dess konsekvenser för längd och tid och om begreppet 4-rörelsemängd och invariant massa. Med hjälp av dessa teoretiska verktyg lär de sig hur man beräknar tvåkroppspartikelsönderfall för relativistiska partiklar.

Tema 2: Teori och experimentella metoder inom modern partikelfysik

I den andra delen av kursen ges studenten en översikt över elementära partiklar och deras interaktioner. Reaktioner och sönderfall representeras med Feynman-diagram. Standardmodellen beskrivs i termer av partiklar och interaktioner (starka interaktioner och enade elektrosvaga interaktioner). Slutligen introduceras Higgs-mekanismen och dess upptäckt diskuteras i populärvetenskapliga termer. Teorier bortom standardmodellen förklaras kort, och föreläsarna ger en orientering om aktuella frågor inom forskningsområdet högenergifysik. Denna del av kursen leder till en diskussion om yrken inom vetenskap och partikelfysik när det gäller den tekniska utveckling som krävs för att svara på stora frågor inom vetenskapen (exempelvis maskininlärning, realtidsanalys, intelligent instrumentering) samt deras tekniköverföring.

Tema 3: Partikelacceleratorer och element i partikeldetektorer och instrumentering

Den tredje komponenten fokuserar på instrumentering för partikelfysik. Interaktioner som är relevanta för partikeldetektering och metoderna för att identifiera och mäta partiklarnas momentum förklaras i samband med högenergifysiksexperiment och kopplas till andra fysikområden. Denna del inkluderar en labbkurs där studenten mäter livstiden för kosmiska muoner genom att skriva ett program i Python med Jupyter-notebook.

Eftersom experimentella studier av subatomära system kräver partikelstrålar med hög energi beskrivs principerna för partikelacceleratorer i en specifik del av kursen tillägnad principerna för acceleration, i huvudsak synkrotroner och linjära acceleratorer och lagringsringar, inklusive generering av sekundära strålar av fotoner och protoner som i MAX och ESS. Denna del av kursen belyser användningen av partikelacceleratorer för samhället i allmänhet (t.ex. för medicinska tillämpningar och för materialstudier inom fysik, farmakologi, biologi, kemi). Exempel är tagna från fysikens framkant, såsom Large Hadron Collider vid CERN, MAX och ESS i Lund.

Under hela kursen förfinar studenterna sina överförbara färdigheter i programmering på Python-språket, eftersom de praktiserar sina programmeringskunskaper underlaborationen.

Studenterna förvärvar färdigheter i vetenskapligt skrivande under förberedelsen av hemtentamen genom att svara på öppna frågor om kursens ämnen. De finslipar också sin presentationsförmåga eftersom de i den muntliga tentamen måste förbereda en kort presentation om standardmodellen som presenteras med hjälp av whiteboard och slides.

Studenter kan också frivilligt delta i IPPOG Particle Physics masterclasses, där de vidareutvecklar sina färdigheter inom vetenskapskommunikation för allmänheten, med syftet att ge studenter en extra möjligheter, detta är ej obligatoriskt.

Undervisningen utgörs av föreläsningar, laborationer, övningar och ett studiebesök ien stor experimentanläggning. Deltagande i introduktionsföreläsning, labbintroduktionsföreläsning samt laborationsmoment och medföljande instruktioner är obligatoriskt. Deltagande i studiebesöket är obligatoriskt, men kan ersättas med ettskriftligt projekt. Studiebesöket kan medföra en mindre kostnad för studenten.

Kursens examination

Betygsskala: TH - (U, 3, 4, 5) - (Underkänd, Tre, Fyra, Fem)
Prestationsbedömning:

Muntlig tentamen, godkända hemuppgifter, godkänd laborationsrapport samt obligatoriskt studiebesök/obligatorisk uppsats

Om så krävs för att en student med varaktig funktionsnedsättning ska ges ett likvärdigt examinationsalternativ jämfört med en student utan funktionsnedsättning, så kan examinator efter samråd med universitetets avdelning för pedagogiskt stöd fatta beslut om alternativ examinationsform för berörd student.

Moduler
Kod: 0111. Benämning: Partikelfysik, kosmologi och acceleratorer.
Antal högskolepoäng: 7.5. Betygsskala: TH - (U, 3, 4, 5).

Antagningsuppgifter

Förutsatta förkunskaper: FAFF10 Atom- och kärnfysik med tillämpningar.
Begränsat antal platser: Nej
Kursen överlappar följande kurser: EXTF05 FKF050

Kurslitteratur

• Kompendium ”Particle Physics and Cosmology”, tillgängligt från Kurslaboratoriet.
• B.R. Martin and G. Shaw, Particle Physics, , John Wiley & Sons, 3 utgåva.
• ISBN 0-471-97285-1.
• Kompletterande läsning:.
• Williams, W.S.C.: Nuclear and Particle Physics, Oxford Science Publications.
• Martin, B.R. & Shaw, G.: Particle Physics, John Wiley & Sons, 3rd edition.
• Skrivet material som delas ut i samband med lektioner.

Kontaktinfo

Kursansvarig: Alice Ohlson, alice.ohlson@hep.lu.se
Hemsida: https://www.fysik.lu.se/index.php?id=108305

Övrig information