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Academic Year/course: 2022/23

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

68361 - Astroparticle physics I: gamma rays, neutrinos and cosmic rays


Syllabus Information

Academic Year:
2022/23
Subject:
68361 - Astroparticle physics I: gamma rays, neutrinos and cosmic rays
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:
First semester
Subject Type:
Optional
Module:
---

1. General information

1.1. Aims of the course

This course will give students an updated view of the state of research in understanding the origin, nature and detection methods of cosmic ray particles.

The focus of the subject will be phenomenological, complementing the more theoretical approach that will be followed by other courses of the master such as Cosmology I and Cosmology II. It will focus on understanding the origin, nature and their journey to Earth of cosmic ray particles, as well as their interactions in the atmosphere, their spectrum and flux on the Earth's surface, and the different experiments for their detection. A second block is dedicated to neutrinos, their nature, oscillations and experiments both for the calculation of oscillation parameters and for the determination of their mass. Finally, all these particles will be discussed within a multi-messenger approach to the Universe.

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 learning of the subject provides training and competence to contribute to some extent to its achievement: Goal 4: Quality education; Goal 5: Gender equality; Goal 9: Industry, innovation and infrastructures.

1.2. Context and importance of this course in the degree

This course forms, together with Astroparticle Physics II: the dark universe, the module of Astroparticle Physics. This first part offers a review of theories and in-depth experiments in the field of cosmic rays, neutrinos, and multi-messenger astronomy. These topics will be of interest not only to students who want to pursue research lines in Astroparticle Physics but also to those interested in Particle Physics or Astrophysics.

Thus, the subject, together with the modules of  Instrumental Techniques, Cosmology, Particle Physics or Astrophysics, can be part of a curriculum oriented towards the experimental aspect of Astroparticle Physics. On the other hand, it can also be part of curricula oriented towards the phenomenology of Particle Physics, or towards Astrophysics.

 

1.3. Recommendations to take this course

In order to follow the course, concepts of nuclear and particle physics are necessary, as well as notions of statistics. Basic knowledge of some experimental techniques in the field is advisable.

It is also recommended to study Cosmology I and Particle Physics I together with this course, as well as the experimental course of Low Background Techniques.

2. Learning goals

2.1. Competences

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

  • Join as qualified researchers or technicians in research teams in the fields of Cosmology, Astrophysics, Particles and Astroparticles
  • Use computer techniques and tools for modeling, simulation and data analysis
  • Analyze, treat and interpret experimental data obtained in experiments
  • Facing problems and theoretical developments
  • 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
  • Recognize the nature of cosmic rays, their nature and detection methods
  • Understand the relevance of the neutrino in solar physics and cosmology
  • Understand the relevance of multi-messenger astronomy.

2.2. Learning goals

To pass this course, the student has to acquire the following learning outcomes:

  • Know the techniques for detecting gamma rays, cosmic rays and high energy neutrinos.
  • Know the types of sources and the production mechanisms of astroparticles.
  • Know how to analyze the processes that take place in the propagation of astroparticles, both conventional and possible new processes in extensions of the Standard Model.
  • Have a global vision of the theoretical and experimental results on neutrino oscillations.
  • Understand the role of the neutrino in astrophysics and cosmology.
  • Describe, in a multi-messenger astronomy, the different observations of the same cosmic event.

2.3. Importance of learning goals

Astroparticle Physics is an expanding field of Physics where the development of detectors, Particle Physics, Cosmology, Astronomy and Nuclear Physics coincide. Because of this, the topics covered require a multidisciplinary approach that strongly enriches the education of students. In Spain, the Canfranc Underground Laboratory has allowed having an extensive experience in this field and its existence, together with the work of competitive national research groups, will promote Astroparticle Physics and the demand for professionals trained in science and technology in this type of study. In this first part, they will also come into contact with research on cosmic rays carried out in other large facilities.

In addition, the course will allow students to develop critical and analytical skills, very useful to face many of the problems in Physics and related areas. Moreover, as Master studies are a bridge to the workplace or future PhD studies, his/her instruction will be supplemented in ways that go beyond purely academic by being in contact with researchers working in these lines.

 

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

  • Reports and written works 20%
  • Case analysis, problem solving, questions and other activities 30%
  • Oral presentations of works 10%
  • Evaluation tests 30%
  • Computational work 10%

The final mark will be obtained according to the percentage assigned to each evaluation activity. To pass the course this final grade must be equal to or higher than 5.0 and not lower than 4.0 in each of the activities.

A single global test

The course has been designed for students who attend face-to-face classes in the classroom and in the laboratory, and carry out the assessment activities described above. However, there will also be an evaluation test for those students who have not carried out the evaluation activities or have not passed them.

This global test will be carried out on the dates established by the Faculty of Sciences and will consist of an evaluation of the same learning results as in the continuous evaluation tests.

 

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

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

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

 

4.2. Learning tasks

The program offered to the student to help him achieve the expected results includes the following activities:

  1. Participation and attendance to lectures in person or online: 30 contact hours
  2. Analysis of cases, sharing and debate on the contents of the subject: 10 hours, 7 face-to-face
  3. Resolution of problems related to the contents of the subject: 10 hours, 7 face-to-face
  4. Completion of computing practices: 10 hours, 7 face-to-face
  5. Preparation and written presentation of work: 20 non-contact hours
  6. Preparation and oral presentation of work: 10 hours, 1 face-to-face
  7. Face-to-face or online tutorials: 10 hours, 5 face-to-face
  8. Individual study: 40 non-contact hours
  9. Written or oral evaluation tests: 3 contact hours
  10. Debates in discussion forum: 7 non-contact hours

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

  1. History of cosmic rays. Galactic and extragalactic origin of cosmic rays and range of energies.
  2. Cosmic ray sources, acceleration and propagation mechanisms in space.
  3. Galactic and extragalactic sources of gamma rays.
  4. Gamma ray and cosmic ray detection techniques.
  5. Cosmic rays on the earth's surface and in underground laboratories.
  6. Neutrinos in astrophysics and cosmology.
  7. Neutrino detectors and telescopes.
  8. Multi-messenger astronomy.
  9. Fundamental symmetry tests in astroparticle 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 and problems classes: 2/3 sessions per week.
  • Computer practical classes: they will be announced by the teachers at the beginning of the course.
  • Evaluation sessions: dates to be decided.

4.5. Bibliography and recommended resources

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=68361


Curso Académico: 2022/23

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

68361 - Física de astropartículas I: rayos gamma, neutrinos y rayos cósmicos


Información del Plan Docente

Año académico:
2022/23
Asignatura:
68361 - Física de astropartículas I: rayos gamma, neutrinos y rayos cósmicos
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:
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:

Esta asignatura dará a los estudiantes una visión actualizada del estado de las investigaciones desarrolladas para entender el origen, la naturaleza, y métodos de detección de los distintos tipos de astropartículas: rayos gamma,   rayos cósmicos y neutrinos.

El enfoque de la asignatura será fenomenológico, complementando el enfoque más teórico que seguirán otras asignaturas del máster. Se centrará en entender el origen, la naturaleza, y la propagación de estas astropartículas, así como sus interacciones en la atmósfera, su espectro y flujo sobre la superficie terrestre y los diferentes experimentos para su detección. Un segundo bloque está dedicado específicamente a los neutrinos, su naturaleza, oscilaciones y experimentos tanto para el cálculo de parámetros de oscilación como para la determinación de su masa. Finalmente, se hablará de todas estas partículas dentro de un enfoque de multimensajeros del Universo.

Estos planteamientos y objetivos están alineados con los siguientes Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030 de Naciones Unidas (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/), 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: Objetivo 4: Educación de calidad; Objetivo 5: Igualdad de género;  Objetivo 9: Industria, innovación e infraestructuras; 

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

Esta asignatura conforma, junto con la de Física de astropartículas II: el universo oscuro, la materia de Física de astropartículas. Esta primera parte ofrece a los estudiantes una revisión profunda de las teorías y de los experimentos en el campo de los rayos gamama, los rayos cósmicos, los neutrinos y de la astronomía multimensajera. Estos temas serán de interés no solo para estudiantes que quieran seguir líneas de investigación en Física de Astropartículas sino también para aquellos interesados en Física de Partículas o en Astrofísica.

Así, la materia de Física de Astropartículas, junto con las tres asignaturas de la materia de Técnicas instrumentales y asignaturas de otras materias como Cosmología y relatividad, Física de Partículas, o Astrofísica, pueden formar parte de un currículo orientado hacia la vertiente experimental de Física de Astropartículas. Por otra parte, también puede puede formar parte de currícula orientados hacia la fenomenología de Física de partículas, o hacia la Astrofísica.

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Para poder seguir el curso son necesarios conceptos de Física nuclear y de partículas, así como nociones de estadística. Son aconsejables conocimientos básicos de algunas técnicas experimentales en el campo.

Es aconsejable estudiar junto con esta asignatura las de Cosmología I y Física de Partículas I, además de la asignatura experimental de Técnicas de bajo fondo.

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

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

  • Integrarse como investigadores o técnico cualificados en equipos de investigación en los ámbitos de Cosmología, Astrofísica, Partículas y Astropartículas.
  • Utilizar técnicas y herramientas informáticas de modelización, simulación y análisis de datos más comunes en los ámbitos del Título.
  • Analizar, tratar e interpretar datos experimentales obtenidos en experimentos de los ámbitos del Título.
  • 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.
  • 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.
  • Entender la importancia de la astronomía multimensajera.

2.2. Resultados de aprendizaje

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

  • Conocer las técnicas de detección de rayos gamma, rayos cósmicos y neutrinos de alta energía.
  • Conocer los tipos de fuentes y los mecanismos de producción de astropartículas.
  • Saber analizar los procesos que tienen lugar en la propagación de las astropartículas, tanto convencionales como posibles nuevos procesos en extensiones del Modelo Estándar.
  • Tener una visión global de los resultados teóricos y experimentales sobre oscilaciones de neutrinos.
  • Conocer el papel del neutrino en astrofísica y cosmología.
  • Describir, en una astronomía de multimensajeros, las diferentes observaciones de un mismo evento cósmico.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

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 temas 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 su existencia junto con el trabajo de grupo nacionales van a impulsar la Física de Astropartículas y la demanda de profesionales formados en la ciencia y tecnología de este tipo de estudios. En esta primera parte, se entrará en contacto, además, con investigaciones sobre rayos cósmicos realizadas en otras grandes instalaciones.

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 evaluación

  • Valoración de informes y trabajos escritos 20%
  • Valoración de análisis de casos, resolución de problemas, cuestiones y otras actividades 30%
  • Valoración de exposiciones orales de trabajos 10%
  • Valoración de las pruebas de evaluación 30%
  • Evaluación del trabajo computacional 10%

La nota final se obtendrá según el porcentaje asignado a cada actividad de evaluación. Para superar la asignatura esta nota final debe no ser inferior a 5.0 y no inferior a 4.0 en cada una de las actividades.

Superación de la asignatura mediante una prueba global única

La asignatura ha sido diseñada para estudiantes que asistan a las clases presenciales en el aula, y realicen las actividades de evaluación anteriormente expuestas. Sin embargo, habrá también una prueba de evaluación para aquellos estudiantes 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 y consistirá en una evaluación de los mismos resultados de aprendizaje que en las pruebas de evaluación continua.

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 problema
  • Resolución de casos
  • Prácticas computacionales
  • Exposiciones orales de trabajos
  • Trabajos escritos
  • Tutorías
  • 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 lecciones magistrales de forma presencial o telemática: 30 horas presenciales.
  2. Análisis de casos, puesta en común y debate sobre los contenidos de la asignatura: 10 horas, 7 presenciales.
  3. Resolución de problemas relacionados con los contenidos de la asignatura: 10 horas, 7 presenciales.
  4. Realización de prácticas de computación: 10 horas, 7 presenciales.
  5. Realización y presentación escrita de trabajos: 20 horas no presenciales.
  6. Realización y presentación oral de trabajos: 10 horas, 1 presencial.
  7. Tutorías de forma presencial o telemática: 10 horas, 5 presenciales.
  8. Estudio individual: 40 horas no presenciales.
  9. Pruebas de evaluación escrita u oral: 3 horas presenciales.
  10. 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. Historia de los rayos cósmicos. Origen galáctico y extragaláctico de los rayos cósmicos y rango de energías.
  2. Fuentes de rayos cósmicos, mecanismos de aceleración y propagación en el espacio.
  3. Fuentes galácticas y extragalácticas de rayos gamma.
  4. Técnicas de detección de rayos gamma y rayos cósmicos.
  5. Rayos cósmicos sobre la superficie terrestre y en laboratorios subterráneos.
  6. Neutrinos en astrofísica y cosmología.
  7. Detectores y telescopios de neutrinos.
  8. Astronomía multimensajera.
  9. Tests de simetrías fundamentales en física de astropartículas.

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

Calendario de sesiones presenciales y presentación de trabajos

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.
  • Clases de prácticas de computación: serán anunciadas por los profesores a comienzo del curso
  • Sesiones de evaluación: fechas a decidir.

4.5. Bibliografía y recursos recomendados

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=68361