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  Integrated Course 3: Quantum Field Theory, Nuclear and Particle Physics (IK-3)

Lecturers
Prof. Dr. Uli Katz, Prof. Dr. Hanno Sahlmann

Details
Vorlesung
8 cred.h, ECTS studies, ECTS credits: 16
nur Fachstudium, Sprache Englisch, Teilnahme nur nach Genehmigung / Participation subject to permission
Asynchrone Lehrveranstaltung, Die Vorlesungen zur QFT werden asynchron als Aufzeichnungen angeboten. Die Live-Vorlesungen zur Kern/Teilchenphysik über Zoom werden aufgezeichnet und sind asynchron verfügbar
Time and place: Mon 11:30 - 14:00, Zoom-Meeting; Fri 11:30 - 14:00, Zoom-Meeting; comments on time and place: Die Lehrveranstaltungen (Vorlesungen, Übungen) erfolgen online bzw. asynchron nach Aufzeichnung. Zeiten für Übungen und Fragestunden werden in Absprache mit den Teilnehmer*innen festgelegt.
Preliminary meeting: 12.4.2021, 11:30 - 12:30 Uhr, room Zoom-Meeting

Fields of study
PF Ph-MA 1 (ECTS-Credits: 16)

Prerequisites / Organisational information
Nur für Teilnehmer am Forschungsstudiengang oder auf individuelle Genehmigung.

Siehe StudOn zu Organisation und Terminen.

Contents
Der Kurs besteht aus einer Theorie-Vorlesung in Quantenfeldtheorie und einer Experimentaphysik-Vorlesung in Kern- und Teilchenphysik.

Die Inhalte der Kern- und Teilchenphysik sind:

  • Kerne: Aufbau, Masse, Bindungsenergie

  • Kernmodelle

  • Kernzerfall und -spaltung, Kernkraftwerke

  • Streuprozesse, Rutherford-Streuung, Formfaktoren

  • Elektron-Nukleon-Streuung (elastisch, Resonanzanregung, tiefinelastisch)

  • Elementare Fermionen, Dirac-Gleichung

  • Wechselwirkungen, Feynmangraphen und -regeln, lokale Eichinvarianz

  • Elektromagnetische Wechselwirkung in Experimenten

  • Starke Wechselwirkung, QCD, laufende Kopplungskonstante, Confinement, Asymptotic freedom, Experimente zu starken WW, Hadron-Multipletts

  • Schwache Wechselwirkung, Paritätsverletzung, Quark-Mischung und CKM-Matrix, CP-Verletzung, pi- und µ-Zerfall, e+e- Streuung auf Z-Resonanz

  • Neutrinophysik

  • Standardmodell: Elektroschwache Vereinigung und Higgs-Mechanismus

Kleine Änderungen sind noch möglich.

Die geplanten Inhalte des QFT-Teils sind:

QT recap

  • Operators, algebras, states, representations

  • spectrum

Symmetries in QT

  • groups, unitary representations, ray representations

  • Lie groups and algebras

  • Application: angular momentum, spin, isospin

Time evolution in QT

  • Schrödinger, Heisenberg, interaction picture

  • Dyson series, time dependent perturbation theory

  • Propagators

  • Feynman path integral 

QM with multiple particles

  • tensor product

  • identical particles

  • Fock spaces

Relativistic QM

  • Lorentz group and its representations

  • scalars and Klein-Gordon equation

  • spinors and Dirac equation

Classical field theory

  • scalar fields, vector fields, spinors

  • gauge fields

  • symmetries, interactions

  • Sketch of standard model action

Free quantum field theory

  • free scalar, vector, spinor fields

  • propagators

Structural aspects of quantum field theory

  • Representation theory for the Poincare group, Wigner classification

  • Spin-statistics

  • scattering, LSZ Reduction

Perturbation theory

  • Gell Man-Low magic formula

  • Feynman diagrams, Feynman rules

  • Divergencies, simple examples of renormalisation

Änderungen sind noch möglich.

ECTS information:
Title:
Integrated course 3: Quantum field theory, nuclear and particle physics

Credits: 16

Prerequisites
Participation restricted to members of the physics advanced study course or by individual permission

Contents
The integrated course 3 comprises a theory lecture on quantum field theory and a lecture on experimental nuclear and particle physics.

The lecture on nuclear and particle physics covers:

  • Nuclei: Composition, mass, binding energy

  • Nuclear models

  • Nuclear decay, nuclear fission, nuclear power plants

  • Scattering processes, Rutherfdors scattering, form factors

  • Electron-nucleon scattering (elastic, resonance regime, deep-inelastic)

  • Elementary fermions, Dirac equation

  • Interactions, Feynman graphs and rules, local gauge invariance

  • Electromagnetic intreraction in particle experiments

  • Strong interaction, QCD, running coupling constant, confinement, asymptotic freedom, experimental investigation of strong interactions, hadron multiplets

  • Weak interactions, parity violation, quark mmixing and CKM matrix, CP violation, pi and µ decay, e+e- scattering on the Z resonance

  • Neutrino physics

  • The Standard Model: Electroweak unification and Higgs mechanism

(subject to smallish modifications).

The planned content of the QFT part is:

QT recap

  • Operators, algebras, states, representations

  • spectrum

Symmetries in QT

  • groups, unitary representations, ray representations

  • Lie groups and algebras

  • Application: angular momentum, spin, isospin

Time evolution in QT

  • Schrödinger, Heisenberg, interaction picture

  • Dyson series, time dependent perturbation theory

  • Propagators

  • Feynman path integral 

QM with multiple particles

  • tensor product

  • identical particles

  • Fock spaces

Relativistic QM

  • Lorentz group and its representations

  • scalars and Klein-Gordon equation

  • spinors and Dirac equation

Classical field theory

  • scalar fields, vector fields, spinors

  • gauge fields

  • symmetries, interactions

  • Sketch of standard model action

Free quantum field theory

  • free scalar, vector, spinor fields

  • propagators

Structural aspects of quantum field theory

  • Representation theory for the Poincare group, Wigner classification

  • Spin-statistics

  • scattering, LSZ Reduction

Perturbation theory

  • Gell Man-Low magic formula

  • Feynman diagrams, Feynman rules

  • Divergencies, simple examples of renormalisation

The content is still subject to change.

Additional information
Keywords: integrated course, quantum field theory, nuclear physics, particle physics
Expected participants: 10, Maximale Teilnehmerzahl: 30
www: https://www.studon.fau.de/crs3660502.html

Assigned lectures
UE: Tutorial for lecture "Quantum Field Theory, Nuclear and Particle Physics
Lecturers: Prof. Dr. Uli Katz, Prof. Dr. Hanno Sahlmann
Time and place: Wed 14:00 - 16:00, 10:00 - 12:00, Zoom-Meeting; comments on time and place: Die Zeiten werden in Absprache mit den Teilnehmer*innen endgültig festgelegt werden.
www: https://www.studon.fau.de/crs3660502.html

Verwendung in folgenden UnivIS-Modulen
Startsemester SS 2021:
Integrierter Kurs 3: Quantenfeldtheorie und Teilchenphysik (IK-3)

Department: Chair of Experimental Physics (Astro Particle Physics)
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