Elementary Particle Physics in a Nutshell (Hardcover)
暫譯: 基本粒子物理學概論 (精裝版)
Christopher G. Tully
- 出版商: Princeton University
- 出版日期: 2011-10-30
- 售價: $1,300
- 貴賓價: 9.8 折 $1,274
- 語言: 英文
- 頁數: 320
- 裝訂: Hardcover
- ISBN: 0691131163
- ISBN-13: 9780691131160
-
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物理學 Physics
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商品描述
<內容簡介>
The new experiments underway at the Large Hadron Collider at CERN in Switzerland may significantly change our understanding of elementary particle physics and, indeed, the universe. This textbook provides a cutting-edge introduction to the field, preparing first-year graduate students and advanced undergraduates to understand and work in LHC physics at the dawn of what promises to be an era of experimental and theoretical breakthroughs.
Christopher Tully, an active participant in the work at the LHC, explains some of the most recent experiments in the field. But this book, which emerged from a course at Princeton University, also provides a comprehensive understanding of the subject. It explains every elementary particle physics process--whether it concerns nonaccelerator experiments, particle astrophysics, or the description of the early universe--as a gauge interaction coupled to the known building blocks of matter. Designed for a one-semester course that is complementary to a course in quantum field theory, the book gives special attention to high-energy collider physics, and includes a detailed discussion of the state of the search for the Higgs boson.
* Introduces elementary particle processes relevant to astrophysics, collider physics, and the physics of the early universe
* Covers experimental methods, detectors, and measurements
* Features a detailed discussion of the Higgs boson search
* Includes many challenging exercises
Professors: A supplementary Instructor's Manual which provides solutions for Chapters 1-3 of the textbook, is available as a PDF. It is restricted to teachers using the text in courses. To obtain a copy, please email your request to: Ingrid_Gnerlich@ press.princeton.edu
<章節目錄>
Preface ix
1 Particle Physics: A Brief Overview 1
1.1 Handedness in the Equation of Motion 1
1.2 Chiral Interactions 2
1.3 Fundamental Strong Interaction 3
1.4 Table of Elementary Particles 3
1.5 Mass and Charge 3
1.6 Hypercharge Interaction of the Standard Model 4
1.7 Higgs Mechanism 5
1.8 Program of Study 6
1.9 Exercises 6
1.10 References and Further Reading 7
2 Dirac Equation and Quantum Electrodynamics 9
2.1 Natural Units and Conversions 9
2.2 Relativistic Invariance 9
2.3 Pauli-Dirac Representation and Connection with Nonrelativistic QM 11
2.3.1 Constants of Motion 14
2.3.2 Velocity in Dirac Theory 16
2.4 Probability Current 17
2.5 Free-Particle Solutions in the Pauli-Dirac Representation 18
2.6 Antiparticles 21
2.6.1 Charge-Conjugation Symmetry 24
2.7 Lorentz Transformations 26
2.7.1 Lorentz Invariance of the Dirac Equation 29
2.7.2 Lorentz-Invariant Lagrangians and the Euler-Lagrange Equations 30
2.8 Weyl Representation 31
2.8.1 Weyl Spinor Two-Component Formalism 33
2.8.2 Free-Particle Solutions via Lorentz Boost Transform 33
2.9 Projection Operators and Completeness Relations 34
2.10 Discrete Lorentz Transformations 37
2.11 Covariant Form of the Electromagnetic Interaction 41
2.12 Relativistic Propagator Theory 43
2.12.1 Source Terms: Coulomb Scattering Potential 47
2.12.2 Photon Propagator 48
2.12.3 Massive Spin-1 Propagator 49
2.13 S-Matrix and Feynman Rules for QED 49
2.13.1 Cross Sections and Decay Rates 51
2.13.2 Worked Example: Mott Scattering 59
2.14 Spin Statistics 60
2.15 Exercises 64
2.16 References and Further Reading 71
3 Gauge Principle 73
3.1 Global Internal Symmetries 73
3.2 Local Gauge Symmetries 75
3.3 SU(2) and the Weak Interaction 78
3.3.1 Gauge Transformations of Massive Spin-1 Four-Potentials 81
3.3.2 Non-Abelian Four-Potentials 84
3.3.3 Weak and Electromagnetic Interactions 85
3.4 Electroweak Gauge Interactions 87
3.5 Gauge Interaction of QCD 89
3.6 Structure of Elementary Matter 94
3.7 Spontaneous Symmetry Breaking 97
3.8 Higgs Mechanism 98
3.8.1 Minimum Single-Doublet of Complex Scalar Fields 98
3.9 Glashow-Weinberg-Salam Theory of the Electroweak Interactions 103
3.10 Neutral-Current Feynman Rules 104
3.11 Fermion Masses and the CKM Mixing Matrix 106
3.12 Neutrino Masses and the CKM Mixing Matrix 108
3.13 Interaction Vertices in the Standard Model 110
3.14 Higgs Mechanism and the Nambu-Goldstone Theorem 111
3.15 Goldstone Boson Equivalence 114
3.16 Anomaly Cancellation 115
3.17 Exercises 118
3.18 References and Further Reading 122
4 Hadrons 124
4.1 Color Antiscreening and Quark Confinement 124
4.2 Light Mesons and Baryons 125
4.3 Flavor Symmetry 127
4.3.1 Nuclear Isospin 127
4.3.2 Meson Wave Functions 128
4.3.3 Baryon Wave Functions 131
4.4 Heavy Flavors, Quarkonia, and Meson Factories 133
4.5 Exerices 138
4.6 References and Further Reading 139
5 Detectors and Measurements 141
5.1 Photons and Electromagnetic Calorimeters 141
5.2 Electrons, Tracking, dE/dx, and Transition Radiation Detectors 144
5.3 Single Hadrons, Time-of-Flight, Cherenkov Radiation,
and Hadron Calorimeters 147
5.4 Muons and Muon Spectrometers 149
5.5 Jets and Jet Algorithms 151
5.6 b-Jets and Vertex Detectors 157
5.7 x-Leptons 159
5.8 Missing Transverse Energy 162
5.9 Neutrinos and Water Cherenkov Detectors 163
5.10 Dark Matter Detectors 165
5.11 Exercises 166
5.12 References and Further Reading 169
6 Neutrino Oscillations and CKM Measurements 171
6.1 Neutrino Oscillations 172
6.1.1 Atmospheric and Accelerator-Based Neutrino Experiments 174
6.1.2 Reactor Neutrino Experiments 175
6.1.3 Solar Neutrino Data 176
6.1.4 Neutrino Mass Hierarchy, Flavor Content, and Potential for CP Violation 179
6.2 CKM Parameterizations and CP Violation 180
6.3 Box Diagrams and the GIM Mechanism 183
6.4 Neutral Meson Oscillations and CP Violation 184
6.5 Constraints on the Unitarity Triangle 189
6.6 Exercises 190
6.7 References and Further Reading 195
7 e+e– Collider Physics 198
7.1 Fermion Pair Production 198
7.2 W Boson Decay 202
7.3 Resonance Production 204
7.3.1 Radiative Return 207
7.4 Measurement of ALR 210
7.5 Polarized x-Lepton Decays 211
7.5.1 Measurement of sin2iW from x Decays 212
7.6 W+W– Pair Production 212
7.7 Exercises 214
7.8 References and Further Reading 216
8 Hadron Colliders 218
8.1 Drell-Yan and the Parton Model 218
8.1.1 Kinematic Variables and Parton Distribution Functions 220
8.2 Single Boson Production 223
8.3 QCD Jet Production 225
8.3.1 Single Boson+Jet 229
8.3.2 W+Multijet 230
8.4 Top Quark Physics 230
8.4.1 Pair Production 231
8.4.2 Electroweak Single Top Production 233
8.4.3 Decay Properties 234
8.4.4 Mass Measurement 235
8.5 Trigger Rates and Thresholds 238
8.5.1 Multijet QCD Backgrounds 242
8.6 Exercises 244
8.7 References and Further Reading 247
9 Higgs Physics 249
9.1 Pre-LEP Searches 251
9.2 LEP1 Era 253
9.2.1 Production Mechanisms at the Z Resonance 253
9.2.2 Low-Mass Searches 253
9.3 Higgs Boson Production and Decay 255
9.3.1 Higgsstrahlung at an e+e– Collider 257
9.3.2 Vector Boson Fusion at a Hadron Collider 258
9.4 From LEP2 to the Tevatron and LHC 259
9.5 Standard Model Higgs Search 263
9.5.1 High-Resolution Search Channels 265
9.5.2 JetMET-Oriented Low-Mass Channels 272
9.5.3 Inclusive Dilepton Analysis 278
9.5.4 Boosted Dibosons from Heavy Higgs Decay 281
9.5.5 From 115 GeV/c2 to 1 TeV/c2 281
9.6 Exercises 284
9.7 References and Further Reading 286
Appendix: Standard Model Interactions and Their Vertex Forms 287
Index 291
商品描述(中文翻譯)
內容簡介
在瑞士的歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(LHC)進行的新實驗可能會顯著改變我們對基本粒子物理學,甚至是宇宙的理解。本教科書提供了該領域的前沿介紹,為一年級研究生和高年級本科生準備理解和從事LHC物理學的工作,這是一個預示著實驗和理論突破的時代的曙光。
活躍參與LHC工作的克里斯多福·塔利(Christopher Tully)解釋了該領域的一些最新實驗。但這本書源自普林斯頓大學的一門課程,還提供了對該主題的全面理解。它將每一個基本粒子物理過程解釋為與已知物質基本組成部分耦合的規範相互作用,無論是涉及非加速器實驗、粒子天體物理學,還是早期宇宙的描述。本書設計為一學期的課程,與量子場論課程互補,特別關注高能對撞機物理,並詳細討論了尋找希格斯玻色子的現狀。
* 介紹與天體物理學、對撞機物理和早期宇宙物理相關的基本粒子過程
* 涵蓋實驗方法、探測器和測量
* 特別討論希格斯玻色子的搜尋
* 包含許多具有挑戰性的練習
教授們:提供教科書第1-3章解答的補充教學手冊可作為PDF下載。該手冊僅限於使用本書的教師。如需獲取副本,請將請求發送至:Ingrid_Gnerlich@press.princeton.edu
章節目錄
前言 ix
1 粒子物理學:簡要概述 1
1.1 運動方程中的手性 1
1.2 手性相互作用 2
1.3 基本強相互作用 3
1.4 基本粒子表 3
1.5 質量和電荷 3
1.6 標準模型的超電荷相互作用 4
1.7 希格斯機制 5
1.8 學習計劃 6
1.9 練習 6
1.10 參考文獻和進一步閱讀 7
2 狄拉克方程和量子電動力學 9
2.1 自然單位和轉換 9
2.2 相對論不變性 9
2.3 保利-狄拉克表示法及其與非相對論量子力學的聯繫 11
2.3.1 運動常數 14
2.3.2 狄拉克理論中的速度 16
2.4 機率流 17
2.5 保利-狄拉克表示法中的自由粒子解 18
2.6 反粒子 21
2.6.1 電荷共軛對稱 24
2.7 洛倫茲變換 26
2.7.1 狄拉克方程的洛倫茲不變性 29
2.7.2 洛倫茲不變拉格朗日量和歐拉-拉格朗日方程 30
2.8 威爾表示法 31
2.8.1 威爾自旋子二元組形式 33
2.8.2 通過洛倫茲增益變換的自由粒子解 33
2.9 投影算子和完備性關係 34
2.10 離散洛倫茲變換 37
2.11 電磁相互作用的協變形式 41
2.12 相對論傳播子理論 43
2.12.1 源項:庫倫散射勢 47
2.12.2 光子傳播子 48
2.12.3 大質量自旋-1傳播子 49
2.13 S-矩陣和量子電動力學的費曼規則 49
2.13.1 截面和衰變率 51
2.13.2 實例:莫特散射 59
2.14 自旋統計 60
2.15 練習 64
2.16 參考文獻和進一步閱讀 71
3 規範原則 73
3.1 全球內部對稱 73
3.2 局部規範對稱 75
3.3 SU(2)和弱相互作用 78
3.3.1 大質量自旋-1四勢的規範變換 81
3.3.2 非阿貝爾四勢 84
3.3.3 弱和電磁相互作用 85
3.4 電弱規範相互作用 87
3.5 QCD的規範相互作用 89
3.6 基本物質的結構 94
3.7 自發對稱破缺 97
3.8 希格斯機制 98
3.8.1 複數標量場的最小單重複 98
3.9 格拉肖-維因伯-薩拉姆的電弱相互作用理論 103
3.10 中性電流的費曼規則 104
3.11 夸克質量和CKM混合矩陣 106
3.12 中微子質量和CKM混合矩陣 108
3.13 標準模型中的相互作用頂點 110
3.14 希格斯機制和南部-戈德斯通定理 111
3.15 戈德斯通玻色子等價 114
3.16 異常抵消 115
3.17 練習 118
3.18 參考文獻和進一步閱讀 122
4 重子 124
4.1 顏色反屏蔽和夸克禁閉 124
4.2 輕介子和重子 125
4.3 風味對稱 127
4.3.1 核子同位旋 127
4.3.2 介子波函數 128
4.3.3 重子波函數 131
4.4 重風味、夸克對和介子工廠 133
4.5 練習 138
4.6 參考文獻和進一步閱讀 139
5 探測器和測量 141
5.1 光子和電磁量測器 141
5.2 電子、追蹤、dE/dx和過渡輻射探測器 144
5.3 單重子、飛行時間、切倫科夫輻射和重子量測器 147
5.4 介子和介子光譜儀 149
5.5 噴流和噴流算法 151
5.6 b-噴流和頂點探測器 157
5.7 x-輕子 159
5.8 缺失橫向能量 162
5.9 中微子和水切倫科夫探測器 163
5.10 暗物質探測器 165
5.11 練習 166
5.12 參考文獻和進一步閱讀 169
6 中微子振盪和CKM測量 171
6.1 中微子振盪 172
6.1.1 大氣和加速器基礎的中微子實驗 174
6.1.2 反應堆中微子實驗 175
6.1.3 太陽中微子數據 176
6.1.4 中微子質量層次、風味內容和CP違反的潛力 179
6.2 CKM參數化和CP違反 180
6.3 方框圖和GIM機制 183
6.4 中性介子振盪和CP違反 184
6.5 對單位三角形的約束 189
6.6 練習 190
6.7 參考文獻和進一步閱讀 195
7 e+e– 對撞機物理 198
7.1 夸克對產生 198
7.2 W玻色子衰變 202
7.3 共振產生 204
7.3.1 輻射回歸 207
7.4 ALR的測量 210
7.5 偏振x-輕子衰變 211
7.5.1 從x衰變測量sin2iW 212
7.6 W+W–對產生 212
7.7 練習 214
7.8 參考文獻和進一步閱讀 216
8 重子對撞機 218
8.1 德雷爾-揚和部分子模型 218
8.1.1 動力學變數和部分子分佈函數 220
8.2 單玻色子產生 223
8.3 QCD噴流產生 225
8.3.1 單玻色子+噴流 229
8.3.2 W+多噴流 230
8.4 頂夸克物理 230
8.4.1 對產生 231
8.4.2 電弱單頂產生 233
8.4.3 衰變特性 234
8.4.4 質量測量 235
8.5 觸發率和閾值 238
8.5.1 多噴流QCD背景 242
8.6 練習 244
8.7 參考文獻和進一步閱讀 247
9 希格斯物理 249
9.1 LEP前搜尋 251
9.2 LEP1時代 253
9.2.1 Z共振的產生機制 253
9.2.2 低質量搜尋 253
9.3 希格斯玻色子的產生和衰變 255
9.3.1 在e+e–對撞機上的希格斯輻射 257
9.3.2 在重子對撞機上的矢量玻色子融合 258
9.4 從LEP2到Tevatron和LHC 259
9.5 標準模型希格斯搜尋 263
9.5.1 高解析度搜尋通道 265
9.5.2 噴流MET導向的低質量通道 272
9.5.3 包含的雙輕子分析 278
9.5.4 來自重希格斯衰變的增強雙玻色子 281
9.5.5 從115 GeV/c²到1 TeV/c² 281
9.6 練習 284
9.7 參考文獻和進一步閱讀 286
附錄:標準模型相互作用及其頂點形式 287
索引 291