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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 世界上著名的加速器举例 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值和阈能 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

2.3.1 n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 β衰变与中微子的发现 53

3.1.2 反β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Pαβ 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. 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

5.6.4 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

6.3.3 φ介子衰变与“OZI”规则 184

6.4 重夸克偶素：J／ψ，？介子 186

6.4.1 粲夸克偶素：J／ψ的发现和基本性质 186

6.4.2 Okubo-Zweig-Iizuka（OZI）规则 189

6.4.3 底夸克偶素：？ 190

6.5 重味夸克物理 192

6.5.1 b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

6.6.4 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：γ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 σ（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-：γ和Z0贡献 272

8.6.4 e+e-→q？（hadrons） 274

练习题 277

第9章 标准模型精确检验、顶夸克物理与Higgs物理 279

9.1 标准模型精确检验 280

9.1.1 荷电流与中性流 280

9.1.2 标准模型电弱参数的精确测量 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

第10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介子系统的混合与CP破坏 323

10.2.1 B（s）介子混合：△Mq和△Γq 323

10.2.2 间接CP破坏α？L 326

10.2.3 第二、三类CP破坏：A？和A？ 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 B？→μ+μ-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γ 348

10.4.4 相位φs 353

10.5 未来的重味物理研究 358

练习题 364

第11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国际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）c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