本書清晰、簡明地介紹了核與粒子物理的基礎(chǔ)知識,為讀者在該領(lǐng)域進一步學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。本書精煉地選擇了相關(guān)內(nèi)容。首先,簡單回顧狹義相對論之后,在場論背景下介紹了量子電動力學(xué)的理論框架。其次,根據(jù)討論基本相互作用的對稱性的需要,簡要介紹了群論的相關(guān)知識。再次,詳細討論了局域?qū)ΨQ性和對稱性自發(fā)破缺的概念,為構(gòu)建電弱相互作用的標準模型做準備。從次,講述了該標準模型的重要結(jié)果及其與實驗測量的符合。最后,研究強相互作用的量子色動力學(xué),描述通過膠子傳遞的夸克之間的相互作用,該理論的定性特征可以使我們簡單地理解強子世界。
本書適合高等學(xué)校物理學(xué)科教師、研究生和高年級本科生,以及科研院所的相關(guān)工作人員閱讀使用。
本書清晰、簡明地介紹了核與粒子物理的基礎(chǔ)知識,為讀者在該領(lǐng)域進一步學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。本書精煉地選擇了相關(guān)內(nèi)容。首先,簡單回顧狹義相對論之后,在場論背景下介紹了量子電動力學(xué)的理論框架。其次,根據(jù)討論基本相互作用的對稱性的需要,簡要介紹了群論的相關(guān)知識。再次,詳細討論了局域?qū)ΨQ性和對稱性自發(fā)破缺的概念,為構(gòu)建電弱相互作用的標準模型做準備。從次,講述了該標準模型的重要結(jié)果及其與實驗測量的符合。最后,研究強相互作用的量子色動力學(xué),描述通過膠子傳遞的夸克之間的相互作用,該理論的定性特征可以使我們簡單地理解強子世界。
本書適合高等學(xué)校物理學(xué)科教師、研究生和高年級本科生,以及科研院所的相關(guān)工作人員閱讀使用。
核與粒子物理的研究對象是物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。同時它也影響著其他領(lǐng)域的發(fā)展,如凝聚態(tài)物理、天體物理等。掌握好它們將有助于我們理解新技術(shù)中的諸多新進展。
作者在卡耐基梅隆大學(xué)和清華大學(xué)給物理專業(yè)的高年級本科生和低年級研究生講授為期一學(xué)期的核與粒子物理課程已有二十多年。本書根據(jù)該課程的講義編寫而成。學(xué)習(xí)本書的預(yù)備知識是量子物理,包括非相對論量子力學(xué)的傳統(tǒng)內(nèi)容,以及簡單的相對論運動學(xué)。為了體現(xiàn)完整性和靈活性,書中包含的內(nèi)容要多于在一個學(xué)期中所能輕松掌握的內(nèi)容。本書著重討論對稱性,及其在高能物理中起到的作用。作者并不試圖用嚴格、完整的方式講述,而是對重要知識做簡單的概述,盡可能略去復(fù)雜的數(shù)學(xué)證明,而更多地采用啟發(fā)式討論和具體實例。
作者
2020年5月
美國卡耐基梅隆大學(xué)物理系榮譽退休教授,臺灣新竹清華特約講座(distinguished chair)教授,美國物理學(xué)會會士、杰出評閱人。他曾獲美國Alfred P. Sloan Research Fellow獎。他在理論高能物理領(lǐng)域工作近四十年,在手征微擾理論、自發(fā)對稱破缺的群理論、漸進自由和對稱性自發(fā)破缺和輕子數(shù)破壞過程等方面做出過開拓性的杰出工作。他和T. P. Cheng合著題為 Gauge Theories and Elementary Particle Physics的書多年來一直是國際高能物理學(xué)界著名的研究生教科書和研究人員的參考用書。
第 1章緒論 1
1.1微觀粒子的結(jié)構(gòu) 2
1.2基本相互作用的分類 2
1.3相對論性系統(tǒng)引入場論的必要性 6
1.4自然單位制 7
第 2章核物理簡介 11
2.1原子核的性質(zhì) 12
2.1.1結(jié)合能 12
2.1.2原子核的尺度 12
2.1.3原子核的自旋 13
2.1.4原子核的穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性 14
2.1.5核力的性質(zhì) 14
2.2原子核的殼模型 15
2.2.1滿殼層 16
2.2.2自旋軌道耦合 19
2.2.3原子核的裂變 21
2.2.4連鎖反應(yīng) 21
2.2.5原子核的聚變 21
2.2.6太陽中的 p-p循環(huán) 22
第 3章狹義相對論 23
3.1狹義相對論簡介 24
3.1.1洛倫茲變換 24
3.1.2簡單的物理結(jié)果 26
3.1.3能量和動量 28
3.2張量分析 31
3.2.1三維空間中的張量 31
3.2.2閔可夫斯基空間中的張量分析 35
3.2.3閔可夫斯基空間中的物理規(guī)律 37
第 4章相對論性波動方程 41
4.1克萊因 -戈爾登方程 42
4.1.1概率詮釋 43
4.1.2克萊因 -戈爾登方程的解 43
4.2狄拉克方程 45
4.2.1概率詮釋 46
4.2.2狄拉克方程的解 47
4.2.3狄拉克方程的洛倫茲變換性質(zhì) 50
第 5章量子電動力學(xué) 55
5.1 e e-湮滅 57
5.1.1 e e- - 57
5.1.2 e e-強子 58
5.2康普頓散射 59
5.3散射截面 60
第 6章對稱性和群論 63
6.1群論 64
6.1.1群論簡介 64
6.1.2 SU(2)群 65
6.1.3三維轉(zhuǎn)動群 O(3) 73
6.1.4轉(zhuǎn)動群和量子力學(xué) 76
6.1.5洛倫茲群 78
6.1.6 SU(3)群 83
6.2對稱性和守恒量 86
6.2.1基本的相互作用 86
6.2.2守恒律 86
6.2.3對稱性與諾特定理 88
6.2.4離散對稱性 96
第 7章局域?qū)ΨQ性和對稱性破缺 103
7.1對稱性概論 104
7.2場論中的整體對稱性和局域?qū)ΨQ性 104
7.2.1整體對稱性 104
7.2.2局域?qū)ΨQ性 108
7.3對稱性破缺 114
7.3.1維格納 -外爾模式中的對稱性 114
7.3.2南部 -戈德斯通模式中的對稱性 114
7.3.3戈德斯通定理 115
7.4對稱性自發(fā)破缺 118
7.4.1整體對稱性 118
7.4.2局域?qū)ΨQ性 122
第 8章夸克模型 127
8.1同位旋對稱性 128
8.2 SU(3)對稱性 131
8.3強子的夸克模型 133
8.3.1簡單夸克模型的悖論 134
8.3.2色自由度 134
8.3.3蓋爾曼 -大久保質(zhì)量公式 135
8.4 -混合和茨威格規(guī)則 136
8.5夸克模型中的強子質(zhì)量 139
第 9章電弱相互作用 149
9.1弱相互作用的基本性質(zhì) 150
9.1.1分類 150
9.1.2弱相互作用中的選擇定則 151
9.1.3弱相互作用的里程碑 153
9.1.4中間矢量玻色子理論 157
9.2 SU(2) U(1)模型的建立 158
9.2.1群的選擇 158
9.2.2費米子 163
9.2.3對稱性自發(fā)破缺 164
9.2.4質(zhì)量譜 165
9.2.5荷電流和中性流 167
9.2.6推廣到多代 168
9.3標準模型的現(xiàn)象學(xué) 174
9.3.1中性流 174
9.3.2 W和 Z規(guī)范玻色子 175
9.3.3希格斯粒子 177
9.3.4中微子振蕩 179
第 10章強相互作用理論 181
10.1深度非彈性散射 182
10.1.1質(zhì)子的結(jié)構(gòu) 182
10.1.2單舉 ep散射 185
10.1.3比約肯標度 189
10.1.4部分子模型 193
10.1.5部分子模型的求和規(guī)則和應(yīng)用 195
10.2光錐奇異性和比約肯標度 197
10.2.1自由場的光錐奇異性和算符乘積展開 198
10.2.2 e e-湮滅與 ep散射 202
10.3量子色動力學(xué) 203
10.3.1漸近自由 203
10.3.2量子色動力學(xué)簡介 206
參考文獻 209