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Academic Year/course: 2019/20

60029 - Relativistic Astrophysics, Astroparticles and Cosmology


Syllabus Information

Academic Year:
2019/20
Subject:
60029 - Relativistic Astrophysics, Astroparticles and Cosmology
Faculty / School:
100 - Facultad de Ciencias
Degree:
538 - Master's in Physics and Physical Technologies
589 - Master's in Physics and Physical Technologies
ECTS:
5.0
Year:
1
Semester:
First semester
Subject Type:
Optional
Module:
---

1. General information

2. Learning goals

3. Assessment (1st and 2nd call)

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

The learning activities of the course have been designed in order to achieve a deep understanding of physics phenomena in the field of relativistic astrophysics, astroparticles and cosmology. These activities try to encourage the implication of the student in her/his learning process.

The course consists of three well separated training activities: deepening on course topics including lectures, discussions, small problem solving or a visit to the LSC (3 ECTS); case base learning and selected problem solving (1 ECTS); elaboration and defense of a guided project on some of the topics of the course (1 ECTS). 

4.2. Learning tasks

The course includes the following learning tasks: 

  • Lectures on the main topics of the course to face the study of physics problems in the context of relativistic astrophysics, astroparticles and cosmology. These sessions will be supported by audiovisual material and complementary information, available for the students at the virtual platform Moodle.
  • Exercises and case analysis in small groups in the classroom, guided by the teacher aimed at the application of the acquired theoretical knowledge.
  • Visit to the Canfranc Underground Laboratory, participation in some proposed activities and preparation of the corresponding report.
  • Preparation of an oral presentation and discussion with the class, of a guided research work on one of the topics of the course.

4.3. Syllabus

The course will address the following topics:

  1. General relativity. Observational cosmology.
  2. Standard model of modern cosmology: Cosmological principle. The Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) metric. Causal structure.
  3. Inflation: Problems of the standard model. Inflationary paradigm. Cosmological constant.
  4. Chronology of the universe: Big Bang. Nucleosynthesis. Cosmic gravitational wave background (GWB). Cosmic microwave background (CMB). Structure formation. Reionization. Galaxy formation. Future of the universe.
  5. Cosmic rays: History. Energy range. Sources and types of cosmic rays. Sea level spectra and fluxes. Production and detection methods. Ultra-high-energy cosmic rays, antimatter searches.
  6. High energy neutrinos and neutrino telescopes.
  7. Dark matter: Theories. Dark matter candidates. Direct and indirect searches.
  8. Dark energy: Friedmann equation and acceleration parameter. Recent studies and experiments.

4.4. Course planning and calendar

Further information concerning the timetable, classroom, assessment dates and other details regarding this course, will be provided on the first day of class or please refer to the Faculty of Science http://ciencias.unizar.es/

4.5. Bibliography and recommended resources

http://biblos.unizar.es/br/br_citas.php?codigo=60029&year=2019

 


Curso Académico: 2019/20

60029 - Astrofísica relativista, astropartículas y cosmología


Información del Plan Docente

Año académico:
2019/20
Asignatura:
60029 - Astrofísica relativista, astropartículas y cosmología
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
Titulación:
538 - Máster Universitario en Física y Tecnologías Físicas
589 - Máster Universitario en Física y Tecnologías Físicas
Créditos:
5.0
Curso:
1
Periodo de impartición:
Primer semestre
Clase de asignatura:
Optativa
Materia:
---

1. Información Básica

1.1. Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

Se introducirá a los estudiantes en la investigación de fenómenos en los campos de la Astrofísica Relativista, de la Física de Astropartículas y de la Cosmología. Los temas del curso son adecuados para estudiantes interesados en conocer las diferentes técnicas para la observación del Cosmos, así como las herramientas tanto experimentales como teóricas utilizadas para comprender fenómenos astrofísicos y el Universo como un todo. Tras el curso, el estudiante será capaz de profundizar en estas líneas, que muestran actualmente una rápida evolución.

Los estudiantes conocerán la composición de los rayos cósmicos. Entrarán en contacto con algunos de los esfuerzos experimentales más importantes en el campo de la física de neutrinos y de detección de la Materia Oscura galáctica: mecanismos de detección, detalles experimentales y valoración de los resultados.

Se recomienda el curso a aquellos estudiantes interesados en conocer el estado de la detección de astropartículas, análisis de datos de fenómenos raros, conceptos novedosos de detectores, técnicas de ultra bajo fondo radioactivo, infraestructuras subterráneas, etc.

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

El curso ofrecerá a los estudiantes una revisión profunda de los últimos resultados experimentales y de las teorías aceptadas en la actualidad en el campo de la astrofísica relativista, las astropartículas y la cosmología. Cubre una serie de tópicos que complementan la formación de los estudiantes siguiendo una línea de investigación teórica y también para aquellos interesados en una formación más técnica o experimental en Física de Partículas (junto  con los cursos de "Física de Partículas", "Interacción de Radiación y Materia" y "Sistemas de detección de Radiación"). Además los contenidos del curso suelen despertar el interés de la mayor parte de graduados en Física.

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Dada la naturaleza multidisciplinar del curso se recomienda tener adquiridos conceptos de Física de Partículas, Física Nuclear y Relatividad especial, así como nociones de Física Estadística y Termodinámica. Son aconsejables, además, conocimientos básicos de algunas técnicas experimentales en estos campos.

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para:

  • Consolidar las habilidades básicas y las interrelaciones entre los diferentes campos de la Física y de las Tecnologías Físicas (CE3)
  • Integrar los conocimientos, manejar la complejidad y formular juicios con información limitada, en el área de la Física y de las Tecnologías Físicas (CE4)
  • Profundizar en el análisis, procesamiento e interpretación de los datos experimentales (CE5)
  • Reconocer la naturaleza de los rayos cósmicos, su naturaleza y métodos de detección
  • Comprender la relevancia del neutrino en la física solar y en cosmología
  • Estudiar en profundidad la naturaleza del modelo estándar de cosmología, su evidencia observacional y descripción teórica.
  • Tener un conocimiento de las propiedades de la materia oscura, candidatos y técnicas observacionales
  • Comprender la aceleración del universo, el papel de la energía oscura y las observaciones de supernovas asociadas.
  • Entender la naturaleza del universo evolutivo y de las distintas eras gobernadas por las propiedades de las partículas elementales que lo constituyen.

2.2. Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados:

  • Describir la geometría del Universo y la métrica de Schwarzschild como soluciones de las ecuaciones de Einstein.
  • Identificar diferentes candidatos a Materia Oscura. 
  • Comparar diferentes teorías de Energía Oscura y analizar los esfuerzos experimentales.
  • Describir la Radiación del Fondo Cósmico de Microondas y analizar el espectro de anisotropías.
  • Describir el espectro de Rayos Cósmicos y calcular los flujos a nivel del mar y en profundidad. 
  • Estimar los ritmos de detección de neutrinos y candidatos a Materia Oscura. 

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

El desarrollo actual de nuestra comprensión del Universo se encuentra, en estos momentos, en una edad dorada dadas las recientes observaciones que llevan a una cosmología de gran precisión. Estas observaciones continuarán en el previsible futuro y serán más precisas son el desarrollo de la tecnología.

La naturaleza multidisciplinar de este curso lo hace particularmente relevante para la formación de los estudiantes, ya que requiere la aplicación de diferentes herramientas teóricas y los pone en contacto con diferentes técnicas experimentales.

La Física de Astropartículas es un campo de la Física en expansión donde coinciden el desarrollo de detectores, la Física de Partículas, la Cosmología, la Astronomía y la Física Nuclear. Debido a esto, los tópicos cubiertos requieren una aproximación multidisciplinar que enriquece fuertemente la educación de los estudiantes. En España, el Laboratorio Subterráneo de Canfranc ha permitido tener una amplia experiencia en este campo y en los próximos años se espera que la participación internacional en este laboratorio junto con el trabajo de grupo nacionales impulsen la Física de Astropartículas y de profesionales formados en la ciencia y tecnología de este tipo de estudios.

Además el curso permitirá a los estudiantes desarrollar habilidades de crítica y análisis, muy útiles para enfrentar muchos de los problemas en Física y áreas relacionadas. Por otra parte, como los estudios de Máster son un puente al lugar de trabajo o a futuros estudios de doctorado,  su instrucción se verá complementada en formas que van más allá de las puramente académicas al estar en contacto con investigadores que trabajan en estas líneas.

3. Evaluación

3.1. Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluacion

Resolver problemas y trabajos prácticos a lo largo del curso en una evaluación continua: un 30% de la nota final se obtendrá de esta forma.

Desarrollar y defender un Proyecto guiado sobre uno de los temas tratados a lo largo del curso: 70% de la calificación final. El proyecto se debe presentar en formato escrito y defendido en una presentación oral en el periodo reservado para la evaluación continua siguiendo el calendario académico de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Zaragoza.

Examen Global

El curso ha sido diseñado fundamentalmente para estudiantes que asistan de forma presencial a las clases. Sin embargo, también habrá pruebas de evaluación para aquellos que no puedan asistir o para los que no hayan superado la evaluación continua. El examen consistirá en un cuestionario conectado con los resultados esperados del curso

Este examen global se realizará en una de las dos convocatorias oficiales, durante los periodos de examen establecidos por la Facultad de Ciencias de la Universidad de Zaragoza. Tendrá dos sesiones: teórica y práctica sobre los contenidos (30% de la nota) y defensa individual del proyecto guiado (70% de la nota final). Todos los estudiantes tienen derecho a este examen global. Para aquellos que hayan aprobado el curso en evaluación continua, este examen es opcional y la nota mejor prevalecerá.

4. Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1. Presentación metodológica general

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en lo siguiente:

Las actividades de aprendizaje del curso se han diseñado para alcanzar un conocimiento profundo de los fenómenos físicos en el campo de la astrofísica relativista, las astropartículas y la cosmología. Las actividades intentan implicar al estudiante en su propio aprendizaje. El curso consiste en tres actividades bien separadas: profundización en los tópicos del curso incluyendo clases magistrales y charlas, discusiones, resolución de problemas sencillos, visita al LSC, al CEFCA o a otro centro de investigación (3 ECTS); aprendizaje basado en casos y selección de problemas propuestos (1 ECTS); elaboración y defensa de un proyecto guiado sobre alguno de los tópicos del curso (1ECTS).

4.2. Actividades de aprendizaje

El programa que se ofrece al estudiante para ayudarle a lograr los resultados previstos comprende las siguientes actividades...

  • Clases magistrales sobre los principales tópicos de la material para afrontar el estudio de problemas físicos en el contexto de la Astrofísica relativista, Astropartículas y Cosmología. Estas lecciones contarán con material audiovisual e información complementaria disponible para los estudiantes en la plataforma Moodle.
  • Ejercicios y análisis de casos en pequeño grupo, guiados por el profesor y dirigidos a la aplicación de los conocimientos básicos adquiridos.
  • Visita al Laboratorio Subterráneo de Canfranc, CEFCA u otro centro de investigación, participando en algunas de las actividades propuestas y preparación del informe correspondiente.
  • Preparación, exposición oral y discusión con la clase, de un trabajo de investigación guiado sobre uno de los tópicos del curso.

4.3. Programa

  1. Relatividad General. Métrica en un universo homogéneo e isótropo.
  2. El universo a gran escala. Cosmología clásica. Historia térmica del universo.
  3. Origen de las perturbaciones. Teoría lineal de perturbaciones. Evolución no lineal.
  4. Cronología del universo: El universo muy temprano. Nucleosíntesis. Desacoplo de materia y radiación. La formación de estructuras. Reionización. Formación de galaxias.
  5. Rayos cósmicos. Historia. Rango de energías. Fuentes y tipos de rayos cósmicos. Espectro a nivel del mar y flujos. Producción y modos de detección. Rayos cósmicos de ultra alta energía. Búsqueda de antimateria
  6. Neutrinos de alta energía y telescopios de neutrinos.
  7. Materia Oscura. Teorías. Candidatos a Materia Oscura. Búsquedas directa e indirecta.
  8. Energía Oscura. Ecuación de Friedmann y parámetro de aceleración. Estudios recientes y experimentos

4.4. Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

Calendario de sesiones presenciales y presentación de trabajos

El calendario tiene que ser determinado y será anunciado con antelación tanto en clase como en la plataforma Moodle.

El calendario del curso, una vez acordado,  se encuentra disponible en las páginas oficiales de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Zaragoza en https://ciencias.unizar.es/web/horarios.do

Visita a las instalaciones de un centro de investigación: la fecha será acordada entre profesores y estudiantes, teniendo en cuenta la disponibilidad de dichas instalaciones.

Las presentaciones orales (ver más abajo) se realizarán en el periodo reservado para los test de evaluación continua.

4.5. Bibliografía y recursos recomendados

http://biblos.unizar.es/br/br_citas.php?codigo=60029&year=2019