Współczesna fizyka cząstek

Książka jest wyjątkową pozycją, która zawiera omówienie wszystkich aspektów współczesnej fizyki cząstek elementarnych – od elektrosłabego modelu standardowego po właściwości neutrin i bozonu Higgsa. Zaprezentowano tu kompleksowy i samodzielny opis modelu standardowego fizyki cząstek elementarnych, przeznaczony dla studentów kierunków ścisłych studiów licencjackich i magisterskich. Teoria fizyczna została przedstawiona w prosty sposób, łącznie z matematycznym wyprowadzeniem krok po kroku. W pełni opracowane przykłady umożliwiają studentom powiązanie teorii matematycznej z wynikami współczesnych eksperymentów fizyki cząstek elementarnych. Zadania zamieszczone na końcach rozdziałów posortowane są według stopnia trudności i umożliwiają głębsze zrozumienie tematu. Wydanie 2 poprawione zawiera także uwagi zawarte w erracie Cambridge. Pełne wsparcie dydaktyczne, w tym rozwiązania do zadań zamieszczonych w książce, dostępne jest na stronie internetowej: cambridge.org/MPP. Książka prof. Marka Thomsona z Uniwersytetu Cambridge to pozycja obowiązkowa dla każdego, kto chce zrozumieć strukturę materii na poziomie fundamentalnym, w szczególności dla studentów fizyki oraz nauk ścisłych i technicznych.

Przedmowa XIII Podziękowania XVI 1. Wstęp 1 1.1. Model standardowy fizyki cząstek elementarnych 1 1.2. Oddziaływanie cząstek z materią 13 1.3. Eksperymenty w wielkim zderzaczu 22 1.4. Pomiary w akceleratorach cząstek 26 Podsumowanie 28 Zadania 28 2. Podstawowe pojęcia 31 2.1. Jednostki stosowane w fizyce cząstek 31 2.2. Szczególna teoria względności 34 2.3. Nierelatywistyczna mechanika kwantowa 41 Podsumowanie 55 Zadania 56 3. Szybkości rozpadu i przekroje czynne 59 3.1. Złota reguła Fermiego 59 3.2. Przestrzeń fazowa i normalizacja funkcji falowej 61 3.3. Rozpady cząstek 67 3.4. Przekroje czynne na oddziaływania. 70 3.5. Różniczkowy przekrój czynny 74 Podsumowanie 79 Zadania 80 4. Równanie Diraca 82 4.1. Równanie Kleina-Gordona 82 4.2. Równanie Diraca 84 4.3. Gęstość prawdopodobieństwa i prąd prawdopodobieństwa 87 4.4. *Spin i równanie Diraca 88 4.5. Forma kowariantna równania Diraca 91 4.6. Rozwiązania równania Diraca 94 4.7. Antycząstki 98 4.8. Stany spinu i skrętności 106 4.9. Wewnętrzna parzystość fermionów Diraca 110 Podsumowanie 113 Zadania 114 5. Oddziaływanie poprzez wymianę cząstek 116 5.1. Rachunek zaburzeń pierwszego i drugiego rzędu 116 5.2. Diagramy Feynmana i cząstki wirtualne 121 5.3. Wprowadzenie do QED 123 5.4. Reguły Feynmana dla QED 126 Podsumowanie 129 Zadania 130 6. Anihilacja elektron–pozyton 131 6.1. Obliczenia w rachunku zaburzeń 131 6.2. Anihilacja elektron–pozyton 133 6.3. Spin w anihilacji elektron–pozyton 142 6.4. Chiralność 143 6.5. *Obliczenia metodą śladów 147 Podsumowanie 159 Zadania 160 7. Rozpraszanie elastyczne elektron–proton 163 7.1. Badanie struktury protonu 163 7.2. Rozpraszanie Rutherforda i Motta 164 7.3. Czynnik kształtu 169 7.4. Relatywistyczne rozpraszanie elastyczne elektron–proton 171 7.5. Równanie Rosenblutha 175 Podsumowanie 179 Zadania 180 8. Rozpraszanie głęboko nieelastyczne 182 8.1. Rozpraszanie nieelastyczne elektron–proton 182 8.2. Rozpraszanie głęboko nieelastyczne 188 8.3. Rozpraszanie elektron–kwark 190 8.4. Model kwarkowo-partonowy 194 8.5. Rozpraszanie elektron–proton w zderzaczu HERA 204 8.6. Pomiary funkcji rozkładu partonów 207 Podsumowanie 208 Zadania 209 9. Symetrie i model kwarków 211 9.1. Symetrie w mechanice kwantowej 211 9.2. Symetria zapachu 215 9.3. Łączenie kwarków w bariony 219 9.4. Funkcje falowe barionów w stanie podstawowym 223 9.5. Izospinowa reprezentacja antykwarków 225 9.6. Symetria zapachu SU(3) 227 Podsumowanie 243 9.7. *Uzupełnienie: inne spojrzenie na symetrię zapachu 243 Zadania 244 10. Chromodynamika kwantowa (QCD) 246 10.1. Lokalna zasada cechowania 246 10.2. Kolor w QCD 249 10.3. Gluony 252 10.4. Uwięzienie koloru 253 10.5. Biegnąca stała sprzężenia αS i asymptotyczna swoboda 257 10.6. QCD w anihilacji elektron–pozyton 264 10.7. Współczynniki koloru 268 10.8. Ciężkie mezony i potencjał kolorowy w QCD 276 10.9. Zderzenia hadron–hadron 279 Podsumowanie 287 Zadania 288 11. Oddziaływanie słabe 290 11.1. Oddziaływanie słabe przez prądy naładowane 290 11.2. Parzystość 290 11.3. Struktura V–A oddziaływania słabego 295 11.4. Chiralna struktura oddziaływania słabego 298 11.5. Propagator bozonu W 300 11.6. Skrętność w rozpadzie pionu 303 11.7. Eksperymentalne dowody na sprzężenie V–A 308 Podsumowanie 308 Zadania 309 12. Słabe oddziaływanie leptonów 311 12.1. Uniwersalność leptonowa 311 12.2. Rozpraszanie neutrin 313 12.3. Eksperymenty z rozpraszaniem neutrin 323 12.4. Funkcje struktury w oddziaływaniach neutrin 326 12.5. Rozpraszanie elektron–proton przez prądy naładowane 328 Podsumowanie 331 Zadania 332 13. Neutrina i oscylacje neutrin 333 13.1. Zapachy neutrin 333 13.2. Neutrina słoneczne 335 13.3. Masowe i słabe stany własne 341 13.4. Oscylacje neutrin o dwóch zapachach 343 13.5. Oscylacje neutrin z trzema zapachami 347 13.6. Eksperymenty badające oscylacje neutrin 356 13.7. Eksperymenty reaktorowe 358 13.8. Eksperymenty neutrinowe z długą linią bazową 363 13.9. Ogólny zarys 365 Podsumowanie 366 Zadania 367 14. Łamanie symetrii CP i słabe oddziaływania hadronowe 370 14.1. Łamanie symetrii CP we wczesnym Wszechświecie 370 14.2. Oddziaływania słabe kwarków 371 14.3. Macierz CKM 374 14.4. Układ neutralnego kaonu 377 14.5. Oscylacje dziwności 390 14.6. Fizyka mezonów B 401 14.7. Łamanie symetrii CP w Modelu Standardowym 409 Podsumowanie 411 Zadania 412 15. Unifikacja elektrosłaba 415 15.1. Właściwości bozonów W 415 15.2. Grupa cechowania oddziaływania słabego 421 15.3. Unifikacja elektrosłaba 425 15.4. Rozpady bozonu Z 431 Podsumowanie 433 Zadania 433 16. Testowanie Modelu Standardowego 435 16.1. Rezonans Z 435 16.2. Wielki zderzacz elektronów i pozytonów 441 16.3. Właściwości bozonu W 450 16.4. Poprawki pętlowe 456 16.5. Kwark górny 458 Podsumowanie 464 Zadania 465 17. Bozon Higgsa 468 17.1. Zasadność istnienia bozonu Higgsa 468 17.2. Lagranżjan w kwantowej teorii pola 469 17.3. Lokalna niezmienniczość cechowania 475 17.4. Masy cząstek 477 17.5. Mechanizm Higgsa 478 17.6. Właściwości bozonu Higgsa 496 17.7. Odkrycie bozonu Higgsa 499 Podsumowanie 503 17.8. *Uzupełnienie: masy neutrin 503 Zadania 506 18. Model standardowy i nie tylko 509 18.1. Model standardowy 509 18.2. Otwarte pytania w fizyce cząstek elementarnych 511 18.3. Posłowie 520 Dodatek A. Funkcja delta Diraca 522 A.1. Definicja funkcji delta Diraca 522 A.2. Transformata Fouriera funkcji delta 523 A.3. Funkcja delta funkcji 524 Dodatek B. Równanie Diraca 525 B.1. Moment magnetyczny fermionu Diraca 525 B.2. Kowariancja równania Diraca 528 B.3. Prąd czterowektorowy 530 Zadania 532 Dodatek C. Hadrony o małej masie 533 Dodatek D. Stany polaryzacji bozonu cechowania 536 D.1. Klasyczny elektromagnetyzm 536 D.2. Stany polaryzacji fotonu 538 D.3. Stany polaryzacji masywnych cząstek o spinie 1 539 D.4. Sumy po polaryzacjach 541 Dodatek E. Twierdzenie Noether 547 Zadanie 549 Dodatek F. Nieabelowa teoria cechowania 550 Bibliografia 556 Dalsza lektura 558 Skorowidz 560