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Academic Year/course: 2022/23

628 - Master's Degree in Physics of the Universe: Cosmology, Astrophysics, Particles and Astroparticles

68360 - Particle physics beyond the Standard Model


Syllabus Information

Academic Year:
2022/23
Subject:
68360 - Particle physics beyond the Standard Model
Faculty / School:
100 - Facultad de Ciencias
Degree:
628 - Master's Degree in Physics of the Universe: Cosmology, Astrophysics, Particles and Astroparticles
ECTS:
6.0
Year:
01
Semester:
Second semester
Subject Type:
Optional
Module:
---

1. General information

1.1. Aims of the course

At present, the Standard Model of particle physics describes very successfully the fundamental building blocks of our world and the forces acting between them. It most recent success has been the confirmation at the Large Hadron Collider (LHC) of the existence of the Higgs particle. Nevertheless, several questions are still waiting clues or answers: Where does the mass come from? What is dark matter made of? Why is there more matter than anti-matter? What happened during the Big Bang? Is there a unified theory of the fundamental interactions? Why physics beyond Standard Model?.

The general objective of this course is to build the necessary basis to study and develop models beyond the Standard Model of Particle Physics. The main purpose is to give an introduction into several theoretical concepts that provide solutions for the open questions of the Standard Model of particle physics and thus lead to physics Beyond the Standard Model (New Physics). Besides the theoretical concepts, the search for new particles and interactions at the existing and future particle accelerators will be also discussed.

This course is interesting for all students who want to know the current state of our knowledge in particle and astroparticle physics. At the end of the course the students should know and analyze the open questions of the Standard Model and should be able to understand the main steps for the formulation of New Physics Models.

 

These approaches and objectives are aligned with the following Sustainable Development Goals (SDGs) of the United Nations 2030 Agenda (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/), in such a way that the acquisition of the results of subject learning provides training and competence to contribute to some extent to its achievement. In particular with Goal 4: Quality education.

1.2. Context and importance of this course in the degree

Students of theoretical high energy physics as well as phenomenology and experiments in particle physics and astroparticle physics may find relevant information for their future work in this course.

This course is complemented by other courses and modules of the master’s degree such as Quantum Field Theory, Theory and Phenomenology of the Standard Model of particle physics, Cosmology and Astroparticle Physics.

1.3. Recommendations to take this course

It is recommended that students have prior knowledge of quantum mechanics, mathematical methods for physics and quantum field theory.

It is recommended to have followed the courses Interaction of radiation and matter, Quantum Field Theory and Theory and Phenomenology of the Standard Model of particle physics.

2. Learning goals

2.1. Competences

After the course, the student will be more competent to:

  • Facing problems and theoretical developments in the fields of the Degree.
  • Delve into a research topic and learn about the most recent advances and current lines of research in the fields of Cosmology, Astrophysics, Particles and Astroparticles.
  • Analyze, treat and interpret the experimental data.
  • Integrate knowledge and consolidate the basic skills and interrelationships between the different fields of particle physics and astrophysics.
  • Dominate basic and required knowledge for the future research carrer.
  • To develop learning skills to continue studying in a self-directed or autonomous way.
  • Understand scientific-technical reports and articles, assess their relevance and synthesize their content.
  • Understand the current phenomenological status of of particles physics.
  • Explore the possible extensions of the Standard Model of particle physics and analyze their phenomenological consequences.
  • To know the main issues of the searches for new particles and interactions at the existing and future particle accelerators.

 

2.2. Learning goals

To pass this course, the student needs demonstrate the following results:

  • Understand the theoretical and experimental problems of the Standard Model and the need to go beyond it.
  • Distinguish between the different solutions to the open questions in the Standard Model.
  • Describe the current situation of Elementary Particle Physics and its near future.
  • Analyze the different models as extensions of the Standard Model as well as recent experimental results.

2.3. Importance of learning goals

This course will provide students with an opportunity to develop the knowledge of the fundamental theoretical concepts of particle physics, and the formulation of new theories. In addition, this course will allow students to develop critical and analytical thinking, both on open questions in particle physics today and in ways that transcend the academic field.

 

3. Assessment (1st and 2nd call)

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

Students must demonstrate that they have achieved the expected learning outcomes through the following assessment activities:

  • Case analysis, problem solving, questions and other activities: 30%
  • Reports and written works: 30%
  • Evaluation tests: 40%

The final mark will be obtained according to the above percentages. To pass the subject the final mark must be greater than 5.0.

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.

This global test will be carried out on the dates established by the Faculty of Sciences.

Honors degree qualification: The honors degree will be awarded among the students who achieve a grade above 9.0.

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.

The learning process that has been designed for this subject is based on the following:

  • Master classes
  • Problem-based learning
  • Case resolution
  • Oral presentations of works
  • Written reports
  • Tutorials
  • Work in small groups
  • Work and personal study
  • Assessment test

4.2. Learning tasks

The course includes the following learning tasks:

  1. Participation and attendance to master classes: 30 contact hours.
  2. Case analysis, sharing and debate on the contents of the course: 20 hours, 16 face-to-face.
  3. Resolution of problems related to the contents of the course: 10 hours, 8 face-to-face.
  4. Preparation and written presentation of work: 20 non-contact hours.
  5. Oral presentation of work: 10 hours, 1 face-to-face.
  6. Tutorials in person or online: 10 hours, 8 face-to-face.
  7. Individual study: 40 non-contact hours.
  8. Written or oral evaluation tests: 3 contact hours.
  9. Discussions in discussion forum: 7 hours not in person.
The teaching and evaluation activities will be carried out in person unless, due to the health situation, the provisions issued by the competent authorities and by the University of Zaragoza require them to be carried out electronically or
semi-electronically with reduced capacity.

4.3. Syllabus

The course will address the following topics:

  1. Motivation to extend the Standard Model (Problems and opportunities)
  2. Higgs physics. Hierarchy Problem. Extensions like SUSY, extra-dimensions, etc.
  3. Strong CP problem and axions.
  4. Issues with Flavour.
  5. Dark matter. Models and candidates.
  6. Unification theories.
  7. Phenomenology of physics beyond the Standard Model.
  8. Searches of new physics.

4.4. Course planning and calendar

The dates will be established and announced by the teachers at the beginning of the course.

Classes will begin and end on the dates indicated by the Faculty of Sciences.

  • Theory classes: 3 sessions per week.
  • Computing classes: to be announced.
  • Assessment sessions: dates to be decided.

4.5. Bibliography and recommended resources

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=68360


Curso Académico: 2022/23

628 - Máster Universitario en Física del Universo: Cosmología, Astrofísica, Partículas y Astropartículas

68360 - Física de partículas más allá del Modelo Estándar


Información del Plan Docente

Año académico:
2022/23
Asignatura:
68360 - Física de partículas más allá del Modelo Estándar
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
Titulación:
628 - Máster Universitario en Física del Universo: Cosmología, Astrofísica, Partículas y Astropartículas
Créditos:
6.0
Curso:
01
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:

Actualmente, el Modelo Estándar de la física de partículas describe con notable éxito los componentes fundamentales de nuestro universo y las fuerzas que actúan entre ellos. El más reciente éxito ha sido la confirmación en el LHC de la existencia del último eslabón de este modelo, la partícula de Higgs. Sin embargo, algunas preguntas cruciales siguen aún sin respuesta: ¿De dónde proviene la masa de las partículas elementales? ¿Es válido el denominado Mecanismo de Higgs para generar estas masas? ¿Qué es la materia oscura? ¿Qué pasó durante los instantes iniciales de la creación del universo, el Big Bang? ¿Existe una teoría unificada de las interacciones fundamentales? ¿Hay alguna necesidad de ir más allá del Modelo Estándar? ¿Por qué física más allá del Modelo Estándar?.

Física de Partículas más allá del Modelo Estándar es una asignatura optativa cuyo objetivo es que el estudiante se familiarice con problemas teóricos y fenomenológicos del Modelo Estándar y la necesidad de ir más allá, formulando extensiones de este modelo conocidos como Nueva Física. Se discutirán ideas básicas sobre la búsqueda de nuevas partículas en los experimentos presentes y futuros.

Este curso es interesante para todos los estudiantes interesados en conocer el estado actual de nuestros conocimientos en física de partículas y astropartículas, y que a su vez pretenden consolidar 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 problemas que nos han llevado a la formulación de las diversas teorías de física más allá del Modelo Estándar, y deben ser capaces de analizar críticamente las distintas extensiones propuestas a este modelo.

 

"Estos planteamientos y objetivos están alineados con los siguientes Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030 de Naciones Unidas, de tal manera que la adquisición de los resultados de aprendizaje de la asignatura proporciona capacitación y competencia para contribuir en cierta medida a su logro: 4. Educación de calidad"

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

Los estudiantes de física teórica, fenomenología y experimentales en física de partículas y astropartículas, pueden encontrar en este curso información relevante para su futuro trabajo. La asignatura proporciona los fundamentos, herramientas y conocimientos requeridos para desarrollar su capacidad de profundizar en los distintos campos de la Física y de identificar los aspectos que se encuentran en los límites del conocimiento.

Esta asignatura se complementa con una gran parte de otras asignaturas optativas ofertadas en los estudios, como Teoría Cuántica de Campos, Teoría y fenomenología del Modelo Estándar de física de partículas, Cosmología y Física de astropartículas.

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Se requieren conocimientos básicos de teoría de campos y partículas, mecánica cuántica y métodos matemáticos para la física. Entre los otros cursos del Máster que son recomendables cursar porque proporcionan buenos complementos para esta materia se encuentran Electrodinámica: interacción de radiación y materia, Teoría Cuántica de Campos y Teoría y fenomenología del Modelo Estándar de la física de partículas.

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

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

  • Enfrentarse a problemas y desarrollos teóricos en los ámbitos del Título.
  • Profundizar en un tema de investigación y conocer los avances más recientes y las actuales líneas de investigación en los ámbitos de Cosmología, Astrofísica, Partículas y Astropartículas.
  • Profundizar en el análisis, procesamiento e interpretación de los datos experimentales.
  • Integrar conocimiento y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información limitada en el área de física de partículas y astropartículas.
  • Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación.
  • Que sean capaces de comprender informes y artículos científico-técnicos, valorar su relevancia y sintetizar su contenido.
  • Describir a nivel fenomenológico la situación actual de la Física de Partículas Elementales y su futuro próximo.
  • Explorar posibles extensiones del Modelo Estándar de la Física de Partículas Elementales y analizar los esfuerzos experimentales en esa dirección.
  • Conocer las estrategias de búsqueda de nueva física en los diversos experimentos presentes y futuros.

2.2. Resultados de aprendizaje

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

  • Comprender y analizar los problemas teóricos y experimentales del Modelo Estándar de la Física de Partículas.
  • Conocer la motivación y la relevancia de las teorías o distintos modelos de Nueva Física.
  • Describir a nivel fenomenológico la situación actual de la Física de Partículas Elementales y su futuro próximo.
  • Analizar las diferentes extensiones del Modelo Estándar y los resultados recientes de aceleradores de partículas y experimentos subterráneos.

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 como 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 evaluación:

  • Valoración de análisis de casos, resolución de problemas, cuestiones y otras actividades: 30%
  • Valoración de informes y trabajos escritos: 30%
  • Valoración de las pruebas de evaluación: 40%

La nota final se obtendrá según el porcentaje asignado a cada actividad de evaluación. Para superar la asignatura esta nota final debe ser igual o superior a 5.

Superación de la asignatura mediante una prueba global única.

La asignatura ha sido diseñada principalmente para los estudiantes que asisten a las clases durante el curso. Sin embargo, también habrá una prueba de evaluación para los estudiantes que no pueden asistir a estas clases, que no hayan realizado las actividades de evaluación o no las hayan superado.

Esta prueba de evaluación global se realizará en las fechas establecidas por la Facultad de Ciencias .

Calificación de Matrícula de Honor: Pueden optar a ella los alumnos que obtengan una nota igual o superior a 9.

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:

  • Clases magistrales participativas
  • Aprendizaje basado en problemas
  • Resolución de casos
  • Exposiciones orales de trabajos
  • Trabajos escritos
  • Tutorías de forma presencial o telemática
  • Trabajo en pequeños grupos
  • Trabajo y estudio personal
  • Pruebas de evaluación

4.2. Actividades de aprendizaje

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

  1. Participación y asistencia a clases magistrales: 30 horas presenciales.
  2. Análisis de casos, puesta en común y debate sobre los contenidos de la asignatura: 20  horas, 16 presenciales.
  3. Resolución de problemas relacionados con los contenidos de la asignatura: 10 horas, 8 presenciales.
  4. Realización y presentación escrita de trabajos: 20 horas no presenciales.
  5. Realización y presentación oral de trabajos: 10 horas, 1 presencial.
  6. Tutorías de forma presencial o telemática: 10 horas, 8presenciales.
  7. Estudio individual: 40 horas no presenciales.
  8. Pruebas de evaluación escrita u oral: 3 horas presenciales.
  9. Debates en foro de discusión:7 horas no presenciales.

Las actividades docentes y de evaluación se llevarán a cabo de modo presencial salvo que, debido a la situación sanitaria, las disposiciones emitidas por las autoridades competentes y por la Universidad de Zaragoza obliguen a realizarlas de forma telemática o semi-telemática con aforos reducidos rotatorios.

4.3. Programa

  1. Motivación para extender el Modelo Estándar (Problemas y oportunidades).
  2. Física del Higgs. Problema de las jerarquías. Extensiones como Supersimetría, dimensiones extra.
  3. Problema de CP fuerte y el Axión.
  4. Problemas en la Física del Sabor.
  5. Materia oscura. Modelos y candidatos.
  6. Unificación. Teorías de Gran Unificación.
  7. Fenomenología de la Física más allá del Modelo Estándar.
  8. Búsqueda de nueva física.

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

Las fechas serán establecidas y anunciadas por los profesores al inicio del curso.

Las clases comenzarán y finalizarán en las fechas indicadas por la Facultad de Ciencias.

  • Clases de teoría y problemas: 2/3 sesiones por semana.
  • Sesiones de computación: comunicadas por los profesores.
  • Sesiones de evaluación: fechas a decidir.

4.5. Bibliografía y recursos recomendados

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=68360