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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Pαβ66

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b107

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+X228

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△Γq323

10.2.2 间接CP破坏α？L326

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β343

10.4.2 相角α346

10.4.3 相角γ348

10.4.4 相位φs353

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