素粒子物理学特論

Elementary Panticle Physics30

996CB01

62PHEPN502

石塚　正基

Masaki Ishitsuka

2025年度後期

2025年度

②Second semester

月曜4限

Monday 4th period

創域理工学研究科　先端物理学専攻

Department of Physics and Astronomy, Graduate School of Science and Technology

2.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

自然界に存在する基本粒子と粒子間に働く力の法則を探求する素粒子物理学を学ぶ。
This course covers the phenomenology of elementary particles and fundamental forces. Major experimental results are also introduced.

素粒子標準理論の枠組みを学び、素粒子とその間に働く相互作用のメカニズムを理解する。
理論の裏付けとなる現象と実験事実にも触れ、根底にある量子力学や特殊相対性理論についての理解を深める。
先端物理学専攻のディプロマ・ポリシーにあげられる、高度な知識、および、それらに基づく課題発見力・問題解決力などを習得することを目的とする。
This course is aimed at graduate students to learn the framework of the Standard Model of particle physics and to understand the mechanism of the particles and their interactions via fundamental forces.
Major experimental results, as either validations of phenomenology or discoveries of new physics, are also introduced to deepen understanding of the physics.
The objective of the program is to acquire advanced knowledge and the ability to identify and solve problems based on that knowledge, as stated in the Diploma Policy.

・素粒子物理学の専門的な知識を習得し、宇宙に存在する素粒子とそれらの間に働く相互作用がどのように記述されるかを理解している。
・素粒子物理学がどのような実験により検証されてきたかを理解し、その知識を自らの研究に生かすことができる。
・習得した知識を適切に応用することにより、基本的な事例について背景にある物理を説明し、導かれる結論を推測することができる。
- Learn phenomenology of particle physics and understand how the elementary particles and their interactions are described.
- Understand the role of experiments in particle physics with some examples, and apply the knowledge in research.
- Explain the underlying physics of the basic phenomenon of particle physics and predict the consequences

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

量子力学を復習し、理解しておくことが望ましい。
Review the quantum mechanism before the course starts.

課題に対する作文　Essay

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講義内容を復習し、必要に応じて参考書を読むなどして、十分に理解してから次の講義に臨むこと。
関心のあるテーマについては個別に参考文献を薦める。
Review each topic after the lecture, referring relevant textbooks if necessary.
Reference papers or textbooks are suggested for specific topics upon requests from students.

学期末に課すレポートにより評価する。
Grading is based on scores of reports at the middle and end of the semester.

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

N

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

In English:
F. Halzen, A. Martin　"Quarks and Leptons"　(John Wiley & Sons)
D. Perkins　"Introduction to High Energy Physics" (Cambridge)

In Japanese:
渡邊靖志　「素粒子物理学入門」　（培風館）
A. Das、T. Ferbel著、末包文彦、白井淳平、湯田春雄訳　「素粒子・原子核物理の基礎」　（共立出版）

全ての授業を対面で受講することを求める。

各回の講義では以下の内容を学ぶ。
第１回から第13回は板書による授業を行い、素粒子物理学の理論的な側面を中心に、素粒子標準理論全般と未解決の問題について解説する。
第14回と第15回はスライドによる授業を行い、素粒子物理学の実験的な側面を中心に、歴史的な実験と最先端の研究について解説する。

第１回　素粒子物理学の概要：　　　素粒子の種類・粒子と場について学ぶ
第２回　相対論的運動学：　　　４元ベクトル・ローレンツ変換・共鳴と崩壊・Klein-Gordon方程式を学ぶ
第３回　量子電磁力学(1)：　　　Dirac方程式・スピン1/2粒子について学ぶ
第4回　量子電磁力学(2)：　　　Dirac方程式・スピン1/2粒子について学ぶ
第5回　量子電磁力学(3)：　　　ゲージ理論を学ぶ
第6回　量子電磁力学（4): 正準量子化・相互作用の取り扱い・ファインマン図を学ぶ
第7回　クォークとハドロン: クォーク模型・強い相互作用・グルーオン放出過程を学ぶ
第8回　強い相互作用： 非可換局所ゲージ不変性とQCD・陽子陽子衝突について学ぶ
第9回　弱い相互作用（１）: フェルミ相互作用・パリティの破れ・V-A型の相互作用について学ぶ
第10回 弱い相互作用（２）: 弱中性カレント・GIM機構・Cabibbo角について学ぶ
第11回　電弱統一理論(1): CP対称性の破れ（実験）について学ぶ
第12回　電弱統一理論(2): CP対称性の破れ（小林益川理論）・ワインバーグ-サラム模型について学ぶ
第13回 ヒッグス機構: ゲージ不変性のおさらい・自発的対称性の破れ・ヒッグス機構について学ぶ
第１4回　素粒子物理学実験：　　　測定器と加速器の解説を交えつつ歴史的な実験について学ぶ
第15回　ニュートリノ実験の最前線: ニュートリノ振動と関連するニュートリノ実験について学ぶ

Require that all classes be taken in person.

This course covers theoretical and experimental aspects of particle physics.
The Standard Model of particle physics is explained for the first 13 classes.
Major experimental results are introduced with the detectors and accelerators in the last two classes on the slides.

Topics in each week:
1. Overview of particle physics: particle types, particles, and fields
2. Relativistic dynamics: four-vector, Lorentz transformation, resonance and decay, Klein-Gordon equation
3. Quantum electrodynamics 1: Dirac equation, spin 1/2 particles
4. Quantum electrodynamics 2: Dirac equation, spin 1/2 particles
5. Quantum electrodynamics 3: gauge theory
6. Quantum electrodynamics 4: canonical quantization, treatment of interactions, Feynman diagram
7. Quarks and hadrons: quark model, strong interaction, gluon radiation
8. Quantum chromodynamics: non-Abelian gauge theory and QCD, proton-proton scattering
9. Weak interaction 1: Fermi interaction, parity violation, V-A theory
10. Weak interaction 2: Neutral-current interaction, GIM mechanism, Cabibbo angle
11. Electroweak interaction 1: CP violation (experiment)
12. Electroweak interaction 2: CP violation (theory), Weinberg-Salam theory
13. Higgs mechanism: review of gauge theory, spontaneous symmetry breaking, Higgs mechanism
14. Experiments: major experimental results, detectors, and accelerators
15. Neutrino experiments: neutrino oscillation and neutrino experiments

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