本書覆蓋了"粒子物理學(xué)"的基本理論框架。重點(diǎn)講授基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，基本相互作用，各種整體、內(nèi)部和規(guī)范對(duì)稱性，夸克模型理論，電弱標(biāo)準(zhǔn)模型理論，量子色動(dòng)力學(xué)基本內(nèi)容。重點(diǎn)介紹目前國(guó)際上正在運(yùn)行的高能物理對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)，高能物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基本方法。
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目 錄
第1章 緒論 1
1.1粒子物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容 1
1.1.1 “基本”粒子譜 1
1.1.2粒子物理理論概要 4
1.1.3自然單位制 5
1.2高能物理實(shí)驗(yàn)手段 6
1.2.1現(xiàn)有高能加速器的種類 6
1.2.2世界上著名的加速器舉例 8
1.3粒子的基本性質(zhì) 10
1.3.1質(zhì)量 10
1.3.2壽命與衰變寬度 11
1.3.3電荷 13
1.3.4自旋、極化、自旋統(tǒng)計(jì)關(guān)系 13
1.3.5螺旋度 14
1.3.6磁矩 15
1.4場(chǎng)、粒子與相互作用 16
1.4.1場(chǎng)和粒子 16
1.4.2基本相互作用 16
1.5粒子的分類 18
1.5.1穩(wěn)定粒子和共振態(tài) 19
1.5.2輕子夸克層次粒子的分類 20
練習(xí)題 21
第2章 高速粒子運(yùn)動(dòng)學(xué) 22
2.1洛倫茲變換 22
2.1.1洛倫茲變換 22
2.1.2洛倫茲變換的快度描寫 26
2.2實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系和質(zhì)心坐標(biāo)系 29
2.2.1質(zhì)心坐標(biāo)系和反應(yīng)有效能量 29
2.2.2反應(yīng)Q值和閡能 33
2.2.3微分截面在實(shí)驗(yàn)室系質(zhì)心系之間的變換關(guān)系 35
2.3相空間 37
2.3.1n體末態(tài)相空間 37
2.3.2不變相空間積分 38
2.3.3不變質(zhì)量譜 40
2.4幾個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題 42
2.4.1 n個(gè)粒子反應(yīng)的洛倫茲不變量 42
2.4.2 2~2反應(yīng)中的s，t，u不變量 42
2.4.3二體衰變運(yùn)動(dòng)學(xué) 43
2.4.4三體衰變運(yùn)動(dòng)學(xué) 45
2.4.5二體反應(yīng)截面 49
練習(xí)題 50
第3章 輕子和量子電動(dòng)力學(xué) 52
3.1輕子的基本性質(zhì) 52
3.1.1？衰變與中微子的發(fā)現(xiàn) 53
3.1.2反？衰變，中微子相互作用 55
3.1.3 中微子的螺旋度(helicity)與手征性(chirality) 56
3.1.4電子和μ子的磁矩 58
3.2輕子數(shù)守恒和輕子普適性 58
3.3中微子質(zhì)量問(wèn)題 61
3.4中微子振蕩 66
3.4.1振蕩概率PaS 66
3.4.2兩個(gè)中微子間的振蕩 68
3.4.3味本征態(tài)的運(yùn)動(dòng)方程 70
3.4.4 目前中微子實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 72
3.5量子電動(dòng)力學(xué)和輕子的散射過(guò)程 72
3.5.1阿貝爾定域規(guī)范對(duì)稱性 72
3.5.2量子電動(dòng)力學(xué)的費(fèi)恩曼規(guī)則 76
3.5.3輕子的電磁散射過(guò)程 78
3.6狄拉克方程與正電子 80
練習(xí)題 86
第4章 強(qiáng)子與強(qiáng)子間相互作用 88
4.1核力的湯川勢(shì)和π介子的理論預(yù)言 88
4.2核力與同位旋 92
4.2.1核力的電荷無(wú)關(guān)性和同位旋的引入 92
4.2.2兩個(gè)核子體系的同位旋 94
4.2.3核子同位旋算符及波函數(shù)的矩陣表示*95
4.2.4 πN系統(tǒng)的同位旋 97
4.3同位旋對(duì)稱性的應(yīng)用 98
4.3.1同位旋守恒定律 98
4.3.2同位旋的破壞 101
4.3.3 同位旋在弱衰變中的應(yīng)用 102
4.4奇異粒子：K介子和超子 103
4.4.1奇異粒子的發(fā)現(xiàn) 103
4.4.2奇異粒子的性質(zhì) 105
4.4.3重子數(shù)b 107
4.4.4超荷Y，蓋爾曼-西島關(guān)系 108
4.4.5奇異粒子的自旋和宇稱 110
4.5共振態(tài) 110
4.5.1彈性散射的分波分析* 110
4.5.2共振態(tài)的產(chǎn)生和描寫 112
4.5.3重子共振態(tài) 114
4.5.4介子共振態(tài) 115
練習(xí)題 118
第5章 對(duì)稱性和守恒定律 119
5.1守恒量的一般性質(zhì) 119
5.1.1對(duì)稱和破缺 119
5.1.2變換和對(duì)稱的分類 120
5.1.3守恒量分類，嚴(yán)格守恒和近似守恒 121
5.2 Noether定理 122
5.2.1經(jīng)典物理中的Noether定理 122
5.2.2量子力學(xué)中的對(duì)稱性 123
5.2.3復(fù)合對(duì)稱性守恒量 124
5.2.4對(duì)稱性和群 124
5.3連續(xù)時(shí)空對(duì)稱性 126
5.3.1 空間平移不變性和動(dòng)量守恒定律 126
5.3.2空間轉(zhuǎn)動(dòng)不變性和角動(dòng)量守恒定律 127
5.3.3時(shí)間平移不變性和能量守恒定律 129
5.4空間反射變換和宇稱守恒 129
5.4.1空間反射變換和宇稱 129
5.4.2宇稱守恒和宇稱不守恒 131
5.5電荷共軛變換、G變換和C、G宇稱守恒 133
5.5.1純中性態(tài)和C宇稱 135
5.5.2 C變換不變和C宇稱守恒 137
5.5.3 G變換和G宇稱 137
5.5.4 G宇稱守恒 139
5.6 CP變換，CP守恒與破壞，CPT定理 141
5.6.1 CP破壞 141
5.6.2 CP破壞的來(lái)源 143
5.6.3時(shí)間反演和T不變性 146
5.6.4 CPT定理 149
5.7全同粒子交換變換152
5.7.1全同粒子組成系統(tǒng)的選擇規(guī)則 152
5.7.2正反費(fèi)米子組成系統(tǒng)的對(duì)稱性 153
5.7.3正反玻色子組成的系統(tǒng) 154
5.8幺正群* 156
5.8.1 U(1)規(guī)范不變性 157
5.8.2 SU(2)群和同位旋 158
5.8.3 SU(3)群 159
練習(xí)題 161
第6章 強(qiáng)子結(jié)構(gòu)、夸克模型 163
6.1強(qiáng)子分類 163
6.2夸克模型和輕強(qiáng)子系統(tǒng) 169
6.2.1重子十重態(tài) 171
6.2.2夸克與顏色自由度 172
6.2.3重子八重態(tài) 175
6.2.4蓋爾曼大久保質(zhì)量公式 177
6.3輕介子系統(tǒng) 179
6.3.1贗標(biāo)量介子 179
6.3.2 1-矢量介子 183
6.3.3φ介子衰變與“OZI“規(guī)則 184
6.4重夸克偶素：J／砂，T介子 186
6.4.1粲夸克偶素：Jnr)的發(fā)現(xiàn)和基本性質(zhì) 186
6.4.2 0kubo-Zweig-lizuka (OZI)規(guī)則 189
6.4.3底夸克偶素:Y 190
6.5重味夸克物理 192
6.5.1 6夸克與B物理 193
6.5.2頂夸克與頂夸克物理 195
6.6強(qiáng)子的命名規(guī)則 197
6.6.1 中性沒(méi)有味道的介子(S=C=B=T=0) 197
6.6.2帶味道的S，C，B≠0的介子 198
6.6.3重子的命名規(guī)則 199
6.6.4靜態(tài)SU(6)模型 201
練習(xí)題 202
第7章 量子色動(dòng)力學(xué)與核子結(jié)構(gòu)函數(shù) 204
7.1量子色動(dòng)力學(xué)理論 204
7.1.1強(qiáng)相互作用的拉氏量 204
7.1.2漸近自由與夸克禁閉 206
7.2電磁形狀因子 212
7.3電子質(zhì)子深度非彈性散射(DIS) 215
7.3.1 ep散射的無(wú)標(biāo)度性 216
7.4核子結(jié)構(gòu)的部分子模型 220
7.4.1簡(jiǎn)單部分子模型 221
7.4.2虛光子吸收的總截面 223
7.4.3夸克分布函數(shù) 224
7.5 HERA電子—質(zhì)子對(duì)撞機(jī)與深度非彈性散射 225
7.5.1中性流過(guò)程：7交換 226
7.5.2部分子模型：e+q->e+X 228
7.5.3深度非彈性散射微分截面公式 231
練習(xí)題 234
第8章 電弱統(tǒng)一理論 236
8.1電弱相互作用理論發(fā)展簡(jiǎn)史 236
8.2 GIM機(jī)制和CKM矩陣 242
8.2.1夸克混合 242
8.2.2 GIM機(jī)制 243
8.2.3 CKM夸克混合矩陣 244
8.3電弱統(tǒng)一理論的群結(jié)構(gòu)、拉氏量與粒子譜 246
8.3.1 Yang-Mills場(chǎng)：非阿貝爾定域規(guī)范對(duì)稱性 248
8.3.2規(guī)范對(duì)稱性一般情況 251
8.4對(duì)稱性的自發(fā)破缺 253
8.5 Brout-Englert-Higgs機(jī)制 262
8.6 a(e+e-→f+f-)的計(jì)算 267
8.6.1 e+e-→f+f-:有極化情況 268
8.6.2 e+e-→μ+μ-：光子傳播子貢獻(xiàn) 270
8.6.3 e+e-→μ+μ-：y和Z0貢獻(xiàn) 272
8.6.4 e+e-→qq(hadrons) 274
練習(xí)題 277
第9章 標(biāo)準(zhǔn)模型精確檢驗(yàn)、頂夸克物理與Higgs物理 279
9.1標(biāo)準(zhǔn)模型精確檢驗(yàn) 280
9.1.1荷電流與中性流 280
9.1.2標(biāo)準(zhǔn)模型電弱參數(shù)的精確測(cè)量 282
9.2規(guī)范玻色子多點(diǎn)耦合的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 286
9.3頂夸克物理 289
9.4 LHC實(shí)驗(yàn)與Higgs物理 296
9.4.1 Higgs玻色子的主要產(chǎn)生過(guò)程 298
9.4.2 Higgs玻色子的衰變和Higgs玻色子與其他粒子的耦合測(cè)量 300
9.4.3新物理模型中的Higgs玻色子 309
練習(xí)題 312
第10章 重味物理和CP破壞 314
10.1 K介子系統(tǒng)：發(fā)現(xiàn)CP破壞50年 316
10.2 B介子系統(tǒng)的混合馬CP破壞 323
10.2.1 B(s)介子混合：AMq和AFq 323
10.2.2 間接CP破壞aqL 326
10.2.3第二、三類CP破壞：Ad.epay和ACP 330
10.3 B(s)介子典型衰變過(guò)程 332
10.3.1低能有效哈密頓量方法 332
10.3.2 BO,d一U+U-純輕子衰變過(guò)程 333
10.3.3半輕子衰變過(guò)程 337
10.3.4強(qiáng)子衰變過(guò)程 339
10.4 CKM矩陣與幺正三角形相角抽取 340
10.4.1相角β 343
10.4.2相角α 346
10.4.3相角Υ 348
10.4.4相位φ 353
10.5未來(lái)的重味物理研究 358
練習(xí)題 364
第11章 高能物理實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介 366
11.1加速器物理實(shí)驗(yàn) 366
11.1.1粒子加速器 369
11.1.2粒子探測(cè)器 371
11.1.3粒子物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 374
11.2非加速器物理實(shí)驗(yàn) 376
11.3中國(guó)的加速器粒子物理實(shí)驗(yàn) 380
11.3.1北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī) 381
11.3.2北京譜儀 383
11.4 BESIII國(guó)際合作組部分成果簡(jiǎn)介 396
11.4.1輕強(qiáng)子 396
11.4.2 X、y、Z強(qiáng)子譜 399
11.4.3 D介子的混合與衰變 404
11.5中國(guó)未來(lái)高能物理實(shí)驗(yàn)展望 408
練習(xí)題 412
附錄A狄拉克方程與狄拉克矩陣 413
附錄B 費(fèi)恩曼規(guī)則與SU(3)。規(guī)范群 426
附錄C 部分重粒子典型衰變寬度表達(dá)式 432
附錄D 電磁學(xué)關(guān)系式和物理常數(shù)表 436
參考文獻(xiàn) 438
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