宇宙线物理  021M2034H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:一级学科普及课 | 任课教师:曹臻,毕效军,何会海
授课时间: 星期三, 第11节
授课地点: 教1-127
授课周次: 5
授课时间: 星期三, 第11节
授课地点: 教1-127
授课周次: 6
授课时间: 星期四, 第1、2节
授课地点: 教1-127
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12
授课时间: 星期三, 第9、10节
授课地点: 教1-127
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12
授课时间: 星期三, 第9、10节
授课地点: 教1-127
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12
授课时间: 星期三, 第11节
授课地点: 教1-127
授课周次: 5
授课时间: 星期三, 第11节
授课地点: 教1-127
授课周次: 6
授课时间: 星期四, 第1、2节
授课地点: 教1-127
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12
课程编号: 021M2034H 课时: 40 学分: 2.0
课程属性: 一级学科普及课 主讲教师:曹臻,毕效军,何会海
英文名称: Cosmic Ray Physics

教学目的、要求

希望实验粒子物理专业的一年级研究生了解宇宙线研究的基本问题、实验研究的基本手段、理论上取得的成就和前沿课题、当今该领域的发展水平和方向。要求本专业的研究生要清楚了解该领域的发展历史和基本问题,了解宇宙线物理实验的基本方法,了解当前重大实验的基本内容和已经取得的成就,了解我国在该领域的地位与贡献,未来实验研究的发展方向。要求熟悉宇宙线物理的基本理论,弄懂其粒子物理和相对论基础,清楚地了解现有理论的局限性,进一步深入理解现代宇宙线实验试图解决的问题。

预修课程

粒子物理-1,粒子物理实验方法-1,电动力学(含狭义相对论)

教 材

自备课件

主要内容

第一章 概论(2学时)
宇宙线简介
1. 介绍宇宙线作为一个学科的目标、研究手段和历史,核心问题。介绍宇宙线物理各个分支形成、研究的内容,宇宙线现象及其核心问题在人类知识结构中的地位和作用
2. 宇宙线物理学科发展的现状和未来展望,并介绍本课程的安排、要求、目标,讲解课程的注意事项,包括考核方式、成绩构成等
第二章 宇宙线物理理论(14)
3,基本概念,宇宙线的定量描述
4,5,6,7,传播过程介绍,和传播相关的问题,各向异性,正电子超出,反质子能谱等
8,9加速和辐射机制,个别的重要的宇宙线源
10,11,12宇宙线结构,膝、踝、GZK截断等物理解释
13,14,15,16 暗物质研究,洛伦兹破坏等前沿问题的介绍
第三章 宇宙线实验理论基础(8)(CZ)
17,18. 电磁相互作用理论,着重于带电粒子与物质和磁场的相互作用,介绍基本的电磁作用过程,能损的基本过程,重点在于理解宇宙线粒子的传播、级联、散射等过程中的物理机制
19,20  电磁级联过程
21,22. 强相互作用理论模型,描述宇宙线粒子进入大气后与空气原子核之间的相互作用的理论基础,是宇宙线物理中的重要基础理论,包含QCD为理论基础的硬散射理论模型,建立在唯象模型基础上的部分子演化和强子化模型,以及描述软散射的唯象模型,宇宙线物理学家的贡献占据了重要的地位,在LHC极端朝前区的实验得到了基本成功的检验,是本课程的学习难点。
23,24. 强子级联过程,以上述相互作用理论为基础,描述高能粒子在物质内的级联过程,是宇宙线广延大气簇射(EAS)过程的骨干过程,决定了EAS在大气深度方向发展快慢的关键过程,在宇宙线EAS现象的理解和相关实验的理论基础,是本课程的学习重点。
第四章 宇宙线实验原理(8):25-30 空间直接测量及地面间接测量实验中粒子位置/芯位、电荷/成分、能量、到达方向等的基本测量原理及典型探测器;31-32简要介绍宇宙线实验中的模拟计算及数据分析方法。
25.	粒子的位置/簇射芯位测量
26.	粒子的电荷测量
27.	宇宙线成份区分
28.	粒子的能量测量
29.	量能器
30.	粒子的到达方向测量
31.	宇宙线实验中的模拟计算方法
32.	宇宙线实验中的数据分析方法
第五章 宇宙线探测技术(6):通过一些典型实验/计划,综合阐述空间、地面及地下实验如何实现对宇宙线的探测并服务于其特定的科学目标。
33.	空间直接测量实验一(Fermi/DAMPE)
34.	空间直接测量实验二(AMS02/HERD)
35.	大气切伦科夫望远镜(IACT/CTA)
36.	地面粒子阵列(ARGO-YBJ/HAWC)
37.	极高能宇宙线实验(Pierre Auger)
38.	中微子实验(IceCube)
第六章 宇宙线研究领域的发展方向与LHAASO实验(2)
39.	总结课程的设计思路及领会要点,目的是总结本课程,在新的高度上重新认识宇宙线物理的核心科学问题,了解人类在逼近终极答案的过程中发展起来的相关理论、模型和实验原理和方法,通过大量实验建立起来的基础知识,强调作为一门新兴学科中存在的多个充满发展潜力的创新生长点,尤其是与国际上大型实验设施的建设所伴生的巨大发展动力。
40.	用LHAASO诠释宇宙线学科的未来发展动向和预期,阐述学科发展对我们提出的召唤,以及我们中国宇宙线物理界对此的回应,分析、展示寻求突破的途径,及其实施的现状和引人入胜的前景。

教学手段与方法:以课堂讲授为主,配合课下作业和文献阅读

考核方式:开卷

       

参考文献

1.	谢一刚等,《粒子探测器与数据获取》,科学出版社
2.	PDG: http://pdg.lbl.gov/ 
3.	Gaisser, T. K., Cosmic Rays and Particle Physics, Cambridge University Press, Cambridge.
4.	Weekes T. C., Very High Energy Gamma-Ray Astronomy, IOP Publishing Ltd 2003.
5.	F. Aharonian, Very High Energy Cosmic Gamma Radiation, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.
6.	李惕碚,《实验的数据处理》,科学出版社
7.	M. Ostrowski (Jagiellonian University),Cosmic ray acceleration at relativistic shocks, shear layers,  arXiv: 0801.1339
8.	M. Kachelriess, Lecture notes on high energy cosmic rays,arXiv:0801.4376
9.	Joerg R. Hoerandel, Astropart.Phys. 21 (2004) 241-265,Models of the Knee in the Energy Spectrum of Cosmic Rays
10.	Arnon Dar, Alvaro De Rujula, Phys.Rept.466:179-241,2008,A theory of Cosmic Rays
11.	Giuseppe Di Bernardo et al. Astropart.Phys.34:274-283,2010,Unified interpretation of cosmic-ray nuclei and antiproton recent measurements
12.	R. Trotta et al. ApJ, 729, 106 (2011),Constraints on cosmic-ray propagation models from a global Bayesian analysis
13.	F. Halzen,AD Martin,N Mitra,《quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics》, 《American Journal of Physics》, 1985, 53(3):620,622