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粒子物理是研究物质 深层次结构的前沿学科。本书注重粒子物理基础知识的介绍，按照由浅入深的顺序对粒子物理发展史、基本相互作用、基本粒子的分类、高速粒子运动学、相互作用过程的运动学问题作了介绍。对于粒子物理的主要研究对象轻子和强子，核力与同位旋，奇异粒子，对称性和各种守恒定律，夸克模型和强子结构以及电磁相互作用，深度非弹性散射与核子结构的部分子模型，量子色动力学，电弱相互作用的拉氏量和粒子谱，电弱规范对称性自发破缺的Higgs机制等分别进行了讨论。对于**的理论研究成果和实验测量数据也作了介绍，例如，LHC实验中的顶夸克物理和Higgs物理，重味物理与CP破坏的理论和实验研究进展。对B介子工厂、LHC等重要的高能物理实验作了重点介绍。以北京正负电子对撞机实验(BEPCII+BESIII)和大亚湾中微子实验为例，对高能物理实验装置、实验数据的采集和分析流程作了较为系统的介绍。本书部分内容涉及量子场论计算。

目 录

第1章 绪论 1

1.1粒子物理学的研究内容 1

1.1.1 “基本”粒子谱 1

1.1.2粒子物理理论概要 4

1.1.3自然单位制 5

1.2高能物理实验手段 6

1.2.1现有高能加速器的种类 6

1.2.2世界上 的加速器举例 8

1.3粒子的基本性质 10

1.3.1质量 10

1.3.2寿命与衰变宽度 11

1.3.3电荷 13

1.3.4自旋、极化、自旋统计关系 13

1.3.5螺旋度 14

1.3.6磁矩 15

1.4场、粒子与相互作用 16

1.4.1场和粒子 16

1.4.2基本相互作用 16

1.5粒子的分类 18

1.5.1稳定粒子和共振态 19

1.5.2轻子夸克层次粒子的分类 20

练习题 21

第2章 高速粒子运动学 22

2.1洛伦兹变换 22

2.1.1洛伦兹变换 22

2.1.2洛伦兹变换的快度描写 26

2.2实验室坐标系和质心坐标系 29

2.2.1质心坐标系和反应有效能量 29

2.2.2反应Q值和阂能 33

2.2.3微分截面在实验室系质心系之间的变换关系 35

2.3相空间 37

2.3.1n体末态相空间 37

2.3.2不变相空间积分 38

2.3.3不变质量谱 40

2.4几个典型的运动学问题 42

2.4.1 n个粒子反应的洛伦兹不变量 42

2.4.2 2~2反应中的s，t，u不变量 42

2.4.3二体衰变运动学 43

2.4.4三体衰变运动学 45

2.4.5二体反应截面 49

练习题 50

第3章 轻子和量子电动力学 52

3.1轻子的基本性质 52

3.1.1？衰变与中微子的发现 53

3.1.2反？衰变，中微子相互作用 55

3.1.3 中微子的螺旋度(helicity)与手征性(chirality) 56

3.1.4电子和μ子的磁矩 58

3.2轻子数守恒和轻子普适性 58

3.3中微子质量问题 61

3.4中微子振荡 66

3.4.1振荡概率PaS 66

3.4.2两个中微子间的振荡 68

3.4.3味本征态的运动方程 70

3.4.4 目前中微子实验的结果 72

3.5量子电动力学和轻子的散射过程 72

3.5.1阿贝尔定域规范对称性 72

3.5.2量子电动力学的费恩曼规则 76

3.5.3轻子的电磁散射过程 78

3.6狄拉克方程与正电子 80

练习题 86

第4章 强子与强子间相互作用 88

4.1核力的汤川势和π介子的理论预言 88

4.2核力与同位旋 92

4.2.1核力的电荷无关性和同位旋的引入 92

4.2.2两个核子体系的同位旋 94

4.2.3核子同位旋算符及波函数的矩阵表示*95

4.2.4 πN系统的同位旋 97

4.3同位旋对称性的应用 98

4.3.1同位旋守恒定律 98

4.3.2同位旋的破坏 101

4.3.3 同位旋在弱衰变中的应用 102

4.4奇异粒子：K介子和超子 103

4.4.1奇异粒子的发现 103

4.4.2奇异粒子的性质 105

4.4.3重子数b 107

4.4.4超荷Y，盖尔曼-西岛关系 108

4.4.5奇异粒子的自旋和宇称 110

4.5共振态 110

4.5.1弹性散射的分波分析* 110

4.5.2共振态的产生和描写 112

4.5.3重子共振态 114

4.5.4介子共振态 115

练习题 118

第5章 对称性和守恒定律 119

5.1守恒量的一般性质 119

5.1.1对称和破缺 119

5.1.2变换和对称的分类 120

5.1.3守恒量分类，严格守恒和近似守恒 121

5.2 Noether定理 122

5.2.1经典物理中的Noether定理 122

5.2.2量子力学中的对称性 123

5.2.3复合对称性守恒量 124

5.2.4对称性和群 124

5.3连续时空对称性 126

5.3.1 空间平移不变性和动量守恒定律 126

5.3.2空间转动不变性和角动量守恒定律 127

5.3.3时间平移不变性和能量守恒定律 129

5.4空间反射变换和宇称守恒 129

5.4.1空间反射变换和宇称 129

5.4.2宇称守恒和宇称不守恒 131

5.5电荷共轭变换、G变换和C、G宇称守恒 133

5.5.1纯中性态和C宇称 135

5.5.2 C变换不变和C宇称守恒 137

5.5.3 G变换和G宇称 137

5.5.4 G宇称守恒 139

5.6 CP变换，CP守恒与破坏，CPT定理 141

5.6.1 CP破坏 141

5.6.2 CP破坏的来源 143

5.6.3时间反演和T不变性 146

5.*** CPT定理 149

5.7全同粒子交换变换152

5.7.1全同粒子组成系统的选择规则 152

5.7.2正反费米子组成系统的对称性 153

5.7.3正反玻色子组成的系统 154

5.8幺正群* 156

5.8.1 U(1)规范不变性 157

5.8.2 SU(2)群和同位旋 158

5.8.3 SU(3)群 159

练习题 161

第6章 强子结构、夸克模型 163

6.1强子分类 163

6.2夸克模型和轻强子系统 169

6.2.1重子十重态 171

6.2.2夸克与颜色自由度 172

6.2.3重子八重态 175

6.2.4盖尔曼大久保质量公式 177

6.3轻介子系统 179

6.3.1赝标量介子 179

6.3.2 1-矢量介子 183

6.3.3φ介子衰变与“OZI“规则 184

***重夸克偶素：J／砂，T介子 186

***.1粲夸克偶素：Jnr)的发现和基本性质 186

***.2 0kubo-Zweig-lizuka (OZI)规则 189

***.3底夸克偶素:Y 190

6.5重味夸克物理 192

6.5.1 6夸克与B物理 193

6.5.2顶夸克与顶夸克物理 195

6.6强子的命名规则 197

6.6.1 中性没有味道的介子(S=C=B=T=0) 197

6.6.2带味道的S，C，B≠0的介子 198

6.6.3重子的命名规则 199

6.***静态SU(6)模型 201

练习题 202

第7章 量子色动力学与核子结构函数 204

7.1量子色动力学理论 204

7.1.1强相互作用的拉氏量 204

7.1.2渐近自由与夸克禁闭 206

7.2电磁形状因子 212

7.3电子质子深度非弹性散射(DIS) 215

7.3.1 ep散射的无标度性 216

7.4核子结构的部分子模型 220

7.4.1简单部分子模型 221

7.4.2虚光子吸收的总截面 223

7.4.3夸克分布函数 224

7.5 HERA电子—质子对撞机与深度非弹性散射 225

7.5.1中性流过程：7交换 226

7.5.2部分子模型：e+q->e+X 228

7.5.3深度非弹性散射微分截面公式 231

练习题 234

第8章 电弱统一理论 236

8.1电弱相互作用理论发展简史 236

8.2 GIM机制和CKM矩阵 242

8.2.1夸克混合 242

8.2.2 GIM机制 243

8.2.3 CKM夸克混合矩阵 244

8.3电弱统一理论的群结构、拉氏量与粒子谱 246

8.3.1 Yang-Mills场：非阿贝尔定域规范对称性 248

8.3.2规范对称性一般情况 251

8.4对称性的自发破缺 253

8.5 Brout-Englert-Higgs机制 262

8.6 a(e+e-→f+f-)的计算 267

8.6.1 e+e-→f+f-:有极化情况 268

8.6.2 e+e-→μ+μ-：光子传播子贡献 270

8.6.3 e+e-→μ+μ-：y和Z0贡献 272

8.*** e+e-→qq(hadr***) 274

练习题 277

第9章 标准模型 检验、顶夸克物理与Higgs物理 279

9.1标准模型 检验 280

9.1.1荷电流与中性流 280

9.1.2标准模型电弱参数的 测量 282

9.2规范玻色子多点耦合的实验检验 286

9.3顶夸克物理 289

9.4 LHC实验与Higgs物理 296

9.4.1 Higgs玻色子的主要产生过程 298

9.4.2 Higgs玻色子的衰变和Higgs玻色子与其他粒子的耦合测量 300

9.4.3新物理模型中的Higgs玻色子 309

练习题 312

0章 重味物理和CP破坏 314

10.1 K介子系统：发现CP破坏50年 316

10.2 B介子系统的混合马CP破坏 323

10.2.1 B(s)介子混合：AMq和AFq 323

10.2.2 间接CP破坏aqL 326

10.2.3第二、三类CP破坏：Ad.epay和ACP 330

10.3 B(s)介子典型衰变过程 332

10.3.1低能有效哈密顿量方法 332

10.3.2 BO，d一U+U-纯轻子衰变过程 333

10.3.3半轻子衰变过程 337

10.3.4强子衰变过程 339

10.4 CKM矩阵与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未来的重味物理研究 358

练习题 364

1章 高能物理实验简介 366

11.1加速器物理实验 366

11.1.1粒子加速器 369

11.1.2粒子探测器 371

11.1.3粒子物理实验数据分析 374

11.2非加速器物理实验 376

11.3中国的加速器粒子物理实验 380

11.3.1北京正负电子对撞机 381

11.3.2北京谱仪 383

11.4 BESIII 合作组部分成果简介 396

11.4.1轻强子 396

11.4.2 X、y、Z强子谱 399

11.4.3 D介子的混合与衰变 404

11.5中国未来高能物理实验展望 408

练习题 412

附录A狄拉克方程与狄拉克矩阵 413

附录B 费恩曼规则与SU(3)。规范群 426

附录C 部分重粒子典型衰变宽度表达式 432

附录D 电磁学关系式和物理常数表 436

参考文献 438

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