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Academic Year/course: 2019/20

60034 - Particle physics


Syllabus Information

Academic Year:
2019/20
Subject:
60034 - Particle physics
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:
Second semester
Subject Type:
Optional
Module:
---

1. General information

1.1. Aims of the course

The aim of this course is to present the application of modern theoretical physics methods to the realm of elementary particle physics. It is recommended for students who have a previous background knowledge in Quantum Physics and High Energy Physics. Other courses of the Master complementary to the present one are “Relativistic Astrophysics, Astroparticles and Cosmology”, “Interaction of Radiation and Matter”, and “Quantum Theory of Condensed Matter”.

The current development of our understanding of the Universe is at present in a golden age given the recent start of the Large Hadron Collider (LHC), the world's largest and highest-energy particle accelerator. It is a particle accelerator used by physicists to study the smallest known particles – the fundamental building blocks of all things. It will revolutionize our understanding, from the minuscule world deep within atoms to the vastness of the Universe. In the course of the last century, physicists ventured into ever smaller dimensions. Today, the Standard Model of particle physics very successfully describes the fundamental building blocks of our world and the forces acting between them. Nevertheless, central questions remain unanswered. Where does the mass come from? What is dark matter made of? What happened during the big bang? Are there any possible extension of the Standard Model?

This course is interesting for all students who on the one hand want to know the current state of our knowledge in microscopic physics and from a methodological point of view it provides a very detailed application of field theoretical methods which can be interesting in many areas of modern physics. At the end of the course the students should understand the main steps that have lead us to the formulation of the standard model and should be able to analyze the consequences of different extensions of the standard model based on the addition of new fields and/or interactions.

Students of theoretical condensed matter physics as well as theoretical high energy physics and also students in phenomenology and experiments in particle physics may find relevant information for their future work in this course. The multidisciplinary nature of this subject makes it especially relevant to the student's training as it requires a  deep knowledge of fundamental aspects of particle physics nowadays and the application of different theoretical tools. In addition, this course will enable students to develop a critical and analytical thinking both on open questions in current particle physics  and in ways that transcend the academic sphere.

2. Learning goals

3. Assessment (1st and 2nd call)

3.1. Assessment tasks (description of tasks, marking system and assessment criteria)

A continuous evaluation will take into account the personal work of the students throughout the course.  The evaluation (40% of the final mark) will reflect the quality of the solutions to the proposed exercises and the participation in the course.

The course will also comprise an oral presentation of a project related to one of the topics addressed  in the course. 60% of the final mark  will be based on the quality of the work done by the students and its oral defense.

The course has been primarily designed for students who are able to attend the lectures on site. However, there will also be an evaluation test for those students who are either unable to attend these lectures or who fail in their first evaluation. The test will consist on filling in  a questionnaire related to the subject contents.

The questionnaire will consist of two parts:

  1. One part will contain 6 questions related to the main concepts discussed in the course. It will be evaluated from 0 to 10 and the result will amount to 60% of the final mark.
  2. A second part in which the student will be asked to solve one among two proposed exercises similar to those developed  during the course (40% of the final mark).

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

The methodology followed in this course is oriented towards achievement of the learning objectives. It favors the acquisition of theoretical and phenomenological expertise in the field of particle physics. In order to get these results, we have programmed activities which improve the students' active and continuous implication within the different topics. The course consists of two well separated training activities:

  • Lectures include theoretical explanations, problem-solving and discussion (3.5 ECTS).
  • Study and presentation of a selected research work in the field (1.5 ECTS).

These activities will allow the student to acquire the desired knowledge on the topics of the course, theoretical and phenomenological skills in particle physics, and problem-solving competences.

4.2. Learning tasks

The course includes the following learning tasks: 

  • Lectures include theoretical explanations, problem-solving and discussion (3.5 ECTS).
  • Study and presentation of a selected research work in the field (1.5 ECTS).

4.3. Syllabus

The course will address the following topics:

  1. Electroweak theory: Interactions. The origin of particle masses. Spontaneous symmetry breaking in physics.
  2. Flavour physics: Flavour symmetry and quantum numbers. Conservation laws. Flavour changing neutral currents. The GIM mechanism. Cabibbo–Kobayashi–Maskawa matrix (CKM).
  3. Neutrino physics: Masses, mixing and oscillations. Dirac and Majorana fermions. Seesaw mechanism. Neutrino oscillations. Violations of the lepton number conservation laws. Beta and double beta decay.
  4. Feynman rules. Observables. Cross section. Decay widths and lifetimes.
  5. Particle physics at colliders: Large Hadron Collider (LHC): Higgs discovery, Present and Future. Higgs phenomenology. Heavy ion collisions, CP violation. Experiments in particle physics and applications.
  6. Physics beyond the standard Model.

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=60034&year=2019


Curso Académico: 2019/20

60034 - Física de partículas


Información del Plan Docente

Año académico:
2019/20
Asignatura:
60034 - Física de partículas
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:
Segundo 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:

Este curso es interesante para todos los estudiantes que por un lado quieren conocer el estado actual de nuestros conocimientos en física microscópica (física de partículas) y por otro lado quieren aprender los métodos de teoría cuántica de campos, métodos utilizados en muchas otras áreas de la física moderna. Al final del curso los estudiantes deben entender los principales pasos que nos han llevado a la formulación del Modelo Estándar de la física de partículas, y deben ser capaces de analizar las consecuencias de las diferentes extensiones del modelo estándar basadas en la introducción de nuevos campos y/o interacciones.

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

Los estudiantes de física teórica de la materia condensada y de física de alta energías así como teóricos, fenomenólogos y experimentales en física de partículas, pueden encontrar información relevante para su futuro trabajo en este curso. Puede complementarse con los cursos "Astrofísica relativista, Astropartículas y Cosmología", "Interacción de la radiación y la materia" y "Teoría Cuántica de la Materia Condensada".

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

El objetivo de este curso es que el estudiante se familiarice con la aplicación de métodos modernos de física teórica en el campo de la física de partículas elementales.Se recomienda haber cursado previamente Física Cuántica y Física de Altas Energías.

Otros cursos del Master complementarios son "Astrofísica Relativista, Astropartículas y Cosmología", "Interacción de la radiación y la materia" y "Teoría Cuántica de la Materia Condensada".

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

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

  • Consolidar los conocimientos avanzados y la interrelación entre los diversos campos de la Física y las Tecnología Físicas (CE3).
  • Integrar conocimientos, enfrentarse a la complejidad y formular juicios con información limitada en el ámbito de la Física y de sus Tecnologías (CE4).
  • Profundizar en el análisis, tratamiento e interpretación de datos experimentales (CE5).
  • Conocer en profundidad la formulación actual y confirmación experimental del Modelo Estándar de Física de Partículas y sus interacciones.
  • Estudiar los avances que han tenido lugar en Física de Partículas como resultado del conocimiento previo y de las observaciones experimentales hechas en aceleradores.
  • Entender y manejar las técnicas teóricas y matemáticas necesarias para formalizar las competencias anteriores.
  • Adquirir conocimientos acerca de las teorías más allá del Modelo Estándar y los esfuerzos experimentales actuales para su comprobación.

2.2. Resultados de aprendizaje

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

  • Manejar la técnica de Diagramas de Feynman y estimar secciones eficaces y anchuras de desintegración para procesos relevantes en el formalismo del Modelo Estándar y sus extensiones.
  • Analizar la deducción del Modelo Estándar de Física de Partículas a partir de los datos experimentales.
  • Describir a nivel fenomenológico la situación actual de la Física de Partículas Elementales y su futuro próximo.
  • Analizar los resultados recientes de aceleradores (principalmente de LHC) y otros experimentos (por ejemplo, desintegración doble beta) y obtener estimaciones sobre posibles nuevos descubrimientos.
  • Ser capaz de explorar posibles extensiones del Modelo Estándar y analizar los esfuerzos experimentales en esa dirección.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

El carácter multidisciplinar de este curso hace que sea especialmente relevante para la formación del alumno, al exigir el conocimiento profundo de los aspectos fundamentales de la física de partículas hoy en día y la aplicación de diferentes herramientas teóricas útiles en diferentes campos de la física .
Además, este curso permitirá a los estudiantes desarrollar un pensamiento crítico y analítico, tanto en las cuestiones abiertas en la física de partículas en la actualidad y en formas que trascienden el ámbito académico.

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

La evaluación continua tendrá en cuenta el trabajo personal de los alumnos durante todo el curso. Los estudiantes presentarán la solución a los ejercicios propuestos durante el curso, recibirán un cuestionario para cada una de las diferentes secciones del curso. La evaluación (30% de la nota final) reflejará la calidad de las soluciones de los ejercicios propuestos y la participación en el curso.

El curso también incluirá una presentación oral de un trabajo relacionado con uno de los temas tratados en el curso. Una fracción de la nota final (70%) se basa en la calidad de los trabajos realizados por los alumnos y su defensa oral. La originalidad del trabajo se tendrá en cuenta para otorgar la máxima calificación.

Superación de la asignatura mediante una prueba global única

El curso ha sido diseñado principalmente para los estudiantes que asisten a las conferencias durante el curso. Sin embargo, también habrá una prueba de evaluación para los estudiantes que no pueden asistir a estas conferencias o que fracasan en su primera evaluación. La prueba consistirá en la resolución de un cuestionario relacionado con los resultados esperados del curso.

El cuestionario estará compuesto por:

  1. Una parte contendrá 6 preguntas relacionadas con los principales conceptos tratados en el curso. Se evaluará de 0 a 10 y el resultado corresponderá al 70% de la nota final.
  2. Una segunda parte en la que se le pedirá al estudiante resolver uno de dos ejercicios propuestos, similares a los propuestos durante el curso (30% de la nota final).

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:

La programación de este curso tiene como objetivo alcanzar el nivel de conocimiento de un curso de postgrado en el campo de la física de partículas tanto a nivel teórico como fenomenológico. Para alcanzar estos resultados hemos programado actividades para fomentar la implicación activa y continua de los estudiantes en los diferentes temas tratados en el curso. El curso contiene dos actividades de aprendizaje bien diferenciadas: clases teóricas, incluyendo discusión y resolución de problemas (3+1 ECTS); estudio y presentación de un trabajo seleccionado (1 ECTS). Estas actividades permitirán que el estudiante adquiera un conocimiento general sobre los temas tratados, una destreza a nivel teórico y fenomenológico en el campo de la física de partículas y la capacidad de resolver problemas

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 que se impartirán a lo largo del curso.
  • Clases interactivas de resolución de problemas.
  • Trabajo individual y en grupo para la resolución de ejercicios propuestos.
  • Estudio, elaboración escrita y presentación oral abierta a discusión sobre un trabajo relacionado con uno de los temas tratados en el curso. 

4.3. Programa

  1. Teoría electrodébil: Interacciones. El orígen de la masa de las partículas.Ruptura espontanea de simetría en física.
  2. Física del sabor: Simetría de sabor y números cuánticos. Leyes de conservación. Corrientes neutras cambiando sabor. Mecanismo de GIM. Matriz de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM).
  3. Física de neutrinos: Masas, mezcla y oscilaciones. Fermiones de Dirac y Majorana. Mecanismo "seesaw". Oscilaciones de neutrinos. Violación de la conservación del número leptónico. Desintegración beta y doble beta.
  4. Reglas de Feynman. Observables. Secciones eficaces. Anchuras de desintegración y tiempos de vida.
  5. Física de partículas en aceleradores. El gran colisionador hadrónico (LHC): Descubrimiento del Higgs, presente y futuro. Fenomenología del Higgs.
  6. Colisiones de iones pesados, violación de CP. Experimentos en física de partículas y aplicaciones.
  7. Física más allá del modelo estándar.

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

Calendario de sesiones presenciales y presentación de trabajos

El calendario final se fijará en su momento y se anunciará con suficiente antelación.

Las clases se inician y terminan en la fecha indicada por la Facultad de Ciencias.


  • Clases: 4 sesiones/semana.
  • Fechas de evaluación: Por decidir.

4.5. Bibliografía y recursos recomendados

LA BIBLIOGRAFÍA ACTUALIZADA DE LA ASIGNATURA SE CONSULTA A TRAVÉS DE LA PÁGINA WEB DE LA BIBLIOTECA http://biblos.unizar.es/br/br_citas.php?codigo=60034&year=2019