课程大纲

课程大纲

宇宙线物理

课程编码:070200M02017H 英文名称:Cosmic Ray Physics 课时:40 学分:2.00 课程属性:一级学科普及课 主讲教师:曹臻等

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)

大纲内容
第一章 宇宙线概论 2学时 曹臻
第1节 宇宙线的研究手段、历史和核心问题
第2节 宇宙线物理各个分支形成、研究的内容
第3节 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
第4节 宇宙线物理学科发展的现状和未来展望
第二章 宇宙线物理理论 14学时 曹臻
第1节 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
第2节 加速和辐射机制,个别的重要的宇宙线源
第3节 宇宙线结构,膝、踝、GZK截断等物理解释
第4节 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学时 曹臻
第1节 电磁相互作用理论
第2节 电磁级联过程
第3节 强相互作用理论模型
第4节 强子级联过程
第四章 宇宙线实验原理 8学时 曹臻
第1节 粒子的位置/簇射芯位测量
第2节 粒子的电荷测量
第3节 宇宙线成份区分
第4节 粒子的能量测量
第5节 量能器
第6节 粒子的到达方向测量
第7节 宇宙线实验中的模拟计算方法
第8节 宇宙线实验中的数据分析方法
第五章 宇宙线探测技术 6学时 曹臻
第1节 空间直接测量实验一(Fermi/DAMPE)
第2节 空间直接测量实验二(AMS02/HERD)
第3节 大气切伦科夫望远镜(IACT/CTA)
第4节 地面粒子阵列(ARGO-YBJ/HAWC)
第5节 极高能宇宙线实验(Pierre Auger)
第6节 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学时 曹臻
第1节 总结课程的设计思路及领会要点
第2节 用LHAASO诠释宇宙线学科的未来发展动向和预期

参考书
1、 实验的数学处理 李惕碚 1980 科学出版社

课程教师信息
曹臻, 1982年毕业于云南大学物理系理论物理专业。1987年到高能物理所宇宙线研究室念研究生,1994获物理学博士学位。现为高能所粒子天体物理中心研究员。研究生期间,独立研制了20m2地下μ子探测器,用于怀柔EAS闪烁探测器阵列。博士论文是关于海拔5500米的甘巴拉山乳胶室多芯事例的物理分析,探讨了包括亚夸克结构在内的各种大横动量产生机制。1994年至1998年在美国Oregon大学物理系任研究助理,从事重离子散射相关的理论研究,探讨部分子级联的混沌现象,并从事了大量QGP到强子末态理论研究。1998年以来在美国Utah大学物理系参与超高能宇宙线HiRes实验研究。主持完成了1993至1996年HiRes prototype的数据处理和物理分析,部分地证实了位于亚EeV能区的宇宙线能谱“第二个膝”的存在和相应的宇宙线成份的变化,在PRL和APJ等杂志上发表了多篇文章,引发了当今对银河系宇宙线高端能谱的深入研究,导致了日本TA、美国TALE和我国CRTNT等实验计划的提出及实施。负责HiRes实验的事例重建和Monte-Carlo模拟工作。2004年4月回国后,启动了宇宙线τ中微子(CRTNT)计划,开始了我国极高能宇宙线观测和超高能τ中微子探测器的预先研究。担任中意合作的西藏羊八井ARGO实验发言人,主持ARGO探测器建设、实验运行和物理分析等工作。兼任美国Utah大学研究副教授并开辟了与HiRes实验的国际合作,利用HiRes实验数据,探索极高能宇宙线的起源,如BL Lac和micro-quasar等天体。共发表了经审稿科学论文及国际会议文集收录论文60篇。

毕效军,2000年中国科学院理论物理研究所获博士学位,2000-2004年先后在清华大学、中科院高能物理研究所作博士后研究,2004-2010年至今历任中科院高能物理研究所副研究员、研究员。研究方向:暗物质物理和宇宙线物理。特别是,随着近年来宇宙线实验的迅速发展,宇宙线观测方面取得了一批高精度的实验结果,我们在通过宇宙线观测来搜索暗物质信号的间接探测方面进行了系统的研究。特别是基于AMS-02的最新观测结果开展了系统、深入的研究,并已取得若干有意义的物理结果。在解释 AMS-02、PAMELA、Fermi 等实验数据,探寻暗物质信号,限制暗物质粒子属性等方面取得了一定的成绩,文章获得了广泛的关注和大量引用。同时,随着LHC亮度提高,获得了大量的实验数据,依据LHC的数据研究暗物质信号等新物理也是工作的一个方向。发表论文 70余篇,论文总引用 1700余次,有3篇论文引用超过100次。其中应用 PAMELA 结果限制暗物质属性和LHC 上寻找超对称信号的论文分别被评为2009和2012年中国百篇最具影响国际学术论文。

何会海,1990年毕业于北京大学物理学系,同年进入中国科学院高能物理研究所工作。2009年晋升为高能物理研究所研究员,博士生导师,现为LHAASO项目经理部(筹)副经理兼总工艺师。研究方向:宇宙线物理。先后从事甚高能伽马射线天文实验(兴隆大气契伦科夫望远镜)、广延大气簇射实验(中日合作ASg实验、中意合作ARGO-YBJ实验)研究。1995.8-1996.2、 2000.11-2001.11先后在意大利从事RPC探测器和羊八井ARGO实验数据获取系统的研究,1999 年作为项目主要成员参加羊八井ARGO实验(“羊八井RPC地毯阵列的建造及技术开发研究”子课题负责人)。中科院创新重要方向性项目“利用羊八井国际宇宙线观测站开展高能宇宙线物理研究”之“羊八井宇宙线观测实验”子课题负责人,国家自然科学基金“利用宽视场契仑克夫望远镜进行伽马射线巡天和点源观测研究”项目负责人。作为主要人员先后参加 了中科院CRTNT项目、中科院高能所创新及国家自然科学基金项目Hires数据分析、国家自然科学基金重点项目“利用羊八井宇宙线实验开展粒子天体物理研究”、中国科学院创新重要方向性项目及中科院高能所创新领域前沿项目“大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)计划预先研究”等。