Опис навчальної дисципліни

Курс “Основи космомікрофізики” належить до циклу дисциплін математичної та природничо-наукової підготовки. Він дає студенту-магістру основи знань з нової галузі фізичної науки, яка лежить на стику астрофізики, космології та фізики елементарних частинок (мікрофізики). В англомовній літературі ця галузь знань має назву astroparticle physics (дослівний переклад — фізика частинок астрономічного походження, або зоряно-частинкова фізика). Вона бурхливо розвивається у світі та є магістерським курсом у провідних університетах Європи та Америки.
Курс “Основ космомікрофізики”, як розділ сучасної фізики, покликаний пояснити структуру матерії від найдрібніших складових матерії — фундаментальних частинок та квантів фізичних полів до галактик та Всесвіту як цілого, встановити взаємопов’язаність її властивостей у найменших та найбільших просторово-часових масштабах. Можливості експериментальної перевірки теорій єдиних взаємодій за допомогою прискорювачів елементарних частинок обмежуються принциповою верхньою межею у кілька десятків тераелектронвольт, до якої “прискорювальна” фізика стрімко наближається. Частинки, які прилітають до Землі з космосу, мають енергії значно вищі тих, що можуть бути досягнуті в прискорювачах, тому їх реєстрація разом із вивченням фізичної природи джерел таких частинок мають фундаментальне значення для всього природознавства. Важливою складовою космомікрофізики є дослідження природи прихованих компонент Всесвіту — темної матерії та темної енергії, які разом складають понад 95% середньої густини Всесвіту. Без встановлення їх природи теорія елементарних частинок і фундаментальних взаємодій не може бути завершеною. Найбільші енергії частинки мали в момент Великого Вибуху та в перші миті після нього, коли синтезувались частинки, які заповнюють Всесвіт тепер. Тому теоретичне моделювання фізичних процесів в ранньому Всесвіті та співставлення його передбачень із спостережуваними даними може бути ключем до побудови теорії єдиних взаємодій. Таким чином, курс дасть змогу студентам зрозуміти світ, в якому ми живемо, у його повноті та єдності. З огляду на це вивчення курсу є необхідним для студентів, які здобувають ступінь магістра з фізики та матимуть змогу продовжувати підвищувати свою кваліфікацію, здобуваючи наукову ступінь доктора філософії в університетах світу.

Мета:
сформувати в майбутнього фізика цілісну наукову картину структури матерії від властивостей фундаментальних частинок та квантів фізичних полів до природи небесних об’єктів, які є джерелами космічних променів високих енергій, та Всесвіту як цілого; розвинути у студентів навики фізичної інтерпретації явищ, що мають місце у ближньому та далекому космосі. Це передбачає виклад основ таких розділів сучасної астрофізики, як космологія раннього Всесвіту та астрофізика високих енергій. Курс передбачає ознайомлення із сучасним станом теоретичних та експериментальних досліджень у галузі космомікрофізи, останніми відкриттями та проблемами, до розв’язку яких долучатимуться випускники-магістри університетів світу.

Завдання:
дати студентам основи знань із сучасної космомікрофізики: синтез частинок і полів в ранньому Всесвіті, властивості темної матерії та темної енергії, фізичні характеристики космічних променів, їх спектр, космічні джерела і механізми генерації; навчити студентів застосовувати знання фізики та математичних методів моделювання складних природніх процесів до інтерпретації природи небесних об’єктів і процесів, що протікають у них.

В результаті вивчення даного курсу студент повинен

Знати:
1. основи стандартної фізики елементарних частинок;
2. проблеми стандартної фізики елементарних частинок;
3. основи стандартної моделі гарячого Всесвіту;
4. проблеми стандартної моделі гарячого Всесвіту;
5. спостережувальні підстави існування та властивості темної матерії;
6. кандидати в частинки темної матерії;
7. спостережувальні підстави існування та властивості темної енергії;
8. фізичні моделі темної енергії;
9. інфляційну модель Всесвіту;
10. сценарії формування структури Всесвіту;
11. механізми генерації космічних променів у ранньому Всесвіті;
12. релікти раннього Всесвіту (електромагнітне випромінювання, нейтрино, частинки, гравітаційні хвилі);
13. методи реєстрації космічних променів та гамма-випромінювання;
14. енергетичний спектр космічних променів та гамма-випромінювання;
15. механізми генерації космічних променів та гамма-випромінювання позагалактичного походження;
16. механізми генерації космічних променів та гамма-випромінювання галактичного походження;
17. механізми Фермі прискорення космічних променів на фронтах ударних хвиль;
18. поширення космічних променів в Галактиці та в міжгалактичному просторі;
19. властивості космічних променів від розпаду та анігіляції частинок темної матерії в гало Галактики;
20. спостережувані обмеження на маси та час життя розпадних частинок темної матерії.
21. сонячні спалахи як джерела космічних променів та гамма-квантів.

Вміти:
1. записати і аналізувати рівняння Айнштайна-Фрідмана, які пов’язують густини основних енергетичних компонент Всесвіту (баріонна речовина, випромінювання, темна матерія, темна енергія) на різних етапах його еволюції;
2. записати основні реакції космологічного нуклеосинтезу;
3. зображати діаграми Фейнмана для основних типів взаємодій елементарних частинок;
4. зображати класифікацію елементарних частинок та обгрунтовувати їх кількість;
5. наводити докази існування темної матерії;
6. наводити докази існування темної матерії;
7. спектральну інтенсивність космічних променів в різних енергетичних діапазонах (протонно-ядерна компонента, електронна компонента, гамма-компонента);
8. записати формулу для іонізаційних втрат енергії космічними променями (формула Бете-Блоха);
9. записати формулу для радіаційних втрат енергії космічними променями;
10. записати формулу для втрат енергії космічними променями на синхротронне випромінювання;
11. записати зобразити графічно енергетичний спектр космічних променів;
12. оцінювати довжину вільного пробігу космічних променів різних енергій.