Wstęp do fizyki wysokich energii
Doskonały podręcznik rejestrujący niezwykle szybki i burzliwy rozwój fizyki wysokich energii, zarówno w sferze doświadczalnej, jak i teoretycznej, który nastąpił w ciągu ostatnich dwudziestu lat. Fizycy dokonali kilku przełomowych odkryć eksperymentalnych. Zaobserwowano bozony pośrednie W i Z, co stanowiło dobitnie potwierdzenie teoretycznego modelu oddziaływań elektrosłabych, zebrano dane dowodzące oscylacji neutrin atmosferycznych i potwierdzono przypuszczenia, iż neutrina nie są cząstkami bezmasowymi, odkryta została ciemna materia we Wszechświecie, powstała niezwykle ważna teoria - Model Standardowy itd. Wszystko, co ważnego odkryli i wymyślili fizycy wysokich energii w latach 80. i 90., znajdzie czytelnik w nowym wydaniu podręcznika Perkinsa.
Opinie o książce:
[...] Pozycja niezbędna, niezwykle przydatna studentom, doktorantom a także młodym pracownikom naukowym. Polecałem ją zawsze i bardzo dobrze się stało, że jej 4-te poprawione i uzupełnione wydanie angielskie jest dostępne w języku polskim...
(dr Jan Kłosiński, Uniwersytet Łódzki)
[...] doskonały podręcznik bazowy lub uzupełniający do uniwersyteckiego kursu fizyki zwanego Wstępem do fizyki cząstek elementarnych [...] nowe wydanie jest w zasadzie nowym podręcznikiem. [...] Wybór tematów nie budzi żadnych zastrzeżeń. [...] książka jest dobrze wyważona a proporcje pomiędzy koncepcjami teoretycznymi i wynikami eksperymentalnymi rzeczywiście pozwalają zrozumieć istotę rzeczy, zarówno osobom o nastawieniu eksperymentalnym jak i teoretycznym. [...] Na końcu każdego rozdziału znajdują się zadania rachunkowe, które mogą być użyteczne do prowadzenia ćwiczeń rachunkowych dopełniających wykład. [...] gorąco polecam podręcznik Perkinsa zarówno studentom fizyki i astronomii jak i wykładowcom i pracownikom naukowym, szczególnie tym z innych dziedzin, którzy chcieliby w możliwie szybki i przystępny sposób odnowić i poszerzyć swoją wiedzę dotyczącą współczesnych osiągnięć w fizyce cząstek elementarnych i ostatnich odkryć w tej dziedzinie.
(prof. dr hab. Antoni Szczurek, Uniwersytet Rzeszowski i Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie)
[...] Struktura podręcznika jest dobra, zakres materiału jest rozsądnie podzielony. [...] Rysunki [...] przejrzyste [...] dobrze ilustrują wykładany materiał. [...] Dobry, wygodny i potrzebny Glosariusz. Bardzo mi się podoba lista z literaturą do poszczególnych rozdziałów. Będę ten podręcznik polecał studentom zainteresowanym tematem jako lekturę uzupełniającą do wykładów z Fizyki II...
(dr Piotr Biegański, Politechnika Wrocławska)
Pozycja niezbędna, niezwykle przydatna studentom, doktorantom a także młodym pracownikom naukowym. Polecałem ją zawsze i bardzo dobrze się stało, że jej 4-te poprawione i uzupełnione wydanie angielskie jest dostępne w języku polskim. Myślę, że jeszcze przez dobrych parę lat będzie to podstawowa pozycja bibliograficzna dla studentów fizyki nauk pokrewnych.
dr Jan Kłosiński,
Uniwersytet Łódzki
(...) gorąco polecam podręcznik Perkinsa zarówno studentom fizyki i astronomii jak i wykładowcom i pracownikom naukowym, szczególnie tym z innych dziedzin, którzy chcieliby w możliwie szybki i przystępny sposób odnowić i poszerzyć swoją wiedzę dotyczącą współczesnych osiągnięć w fizyce cząstek elementarnych i ostatnich odkryć w tej dziedzinie.
prof. dr hab. Antoni Szczurek,
Uniwersytet Rzeszowski
Najważniejsze problemy współczesnej fizyki wysokich energii są opisane prostym językiem. Zbiór problemów i zadań pomaga w zrozumieniu poruszanych problemów.
Bardzo dobrym pomysłem był Glosariusz oraz kalendarium poszczególnych odkryć.
prof. dr hab. Bogdan Muryn,
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Przedmowa IX
Rozdział 1. Kwarki i leptony 1
1.1. Wstęp 1
1.2. Model standardowy w fizyce cząstek elementarnych 7
1.3. Klasyfikacja cząstek: fermiony i bozony 13
1.4. Cząstki i antycząstki 14
1.5. Równania falowe dla cząstki swobodnej 17
1.6. Stany o określonej skrętności: zachowanie skrętności 20
1.7. Leptony 21
1.8. Kwarki 24
1.9. Kosmiczne związki 26
Zadania 33
Rozdział 2. Oddziaływania i pola 36
2.1. Klasyczny i kwantowy obraz oddziaływań 36
2.2. Teoria Yukawy 37
2.3. Propagator bozonu 38
2.4. Diagramy Feynmana 39
2.5. Oddziaływania elektromagnetyczne 41
2.6. Renormalizacja i niezmienniczość względem cechowania 43
2.7. Oddziaływania silne 44
2.8. Oddziaływania słabe i elektrosłabe 49
2.9. Oddziaływania grawitacyjne 52
2.10. Przekroje czynne 53
2.11. Rozpady i rezonanse 56
Zadania 62
Rozdział 3. Zasady niezmienniczości i prawa zachowania 64
3.1. Operatory translacji i obrotu 64
3.2. Inwersja przestrzenna 65
3.3. Spin i parzystość pionu 67
3.4. Parzystość cząstek i antycząstek 71
3.5. Doświadczenia sprawdzające zachowanie parzystości 72
3.6. Niezmienniczość względem sprzężenia ładunkowego 74
3.7. Zachowanie ładunku i niezmienniczość względem cechowania 76
3.8. Zachowanie liczb barionowej i leptonowej 79
3.9. Niezmienniczość względem CPT 81
3.10. Łamanie symetrii względem CP i T 82
3.11. Elektryczny moment dipolowy neutronu 84
3.12. Symetria izospinowa 87
3.13. Izospin w układzie dwóch nukleonów i układzie pion–nukleon 88
3.14. Izospin, dziwność i hiperładunek 92
Zadania 93
Rozdział 4. Hadrony i kwarki 96
4.1. Stany q¯q kwarków powabnych i pięknych 96
4.2. Porównanie struktury poziomów kwarkonium i pozytonium 104
4.3. Dekuplet barionowy 110
4.4. Spin i kolor kwarków 115
4.5. Oktet barionowy 116
4.6. Układy kwark–antykwark: lekkie mezony pseudoskalarne 118
4.7. Lekkie mezony wektorowe 121
4.8. Inne testy modelu kwarkowego 123
4.9. Formuły masowe i rozszczepienie nadsubtelne 125
4.10. Elektromagnetyczne różnice mas i symetria izospinowa 128
4.11. Momenty magnetyczne barionów 130
4.12. Mezony zawierające kwark lekki i kwark ciężki 131
4.13. Kwark top 133
Zadania 138
Rozdział 5. Oddziaływania leptonów z kwarkami 140
5.1. Proces e+e− ! μ+μ− 140
5.2. Anihilacja e+e− w hadrony 144
5.3. Rozpraszanie elektronów na mionach: e−μ+!e−μ+ 147
5.4. Rozpraszanie neutrin na elektronach nee ! nee 150
5.5. Elastyczne rozpraszanie leptonów na nukleonach 153
5.6. Rozpraszanie głęboko nieelastyczne i partony 155
5.7. Rozpraszanie głęboko nieelastyczne i kwarki 159
5.8. Wyniki doświadczalne dla funkcji rozkładu kwarków w nukleonie 161
5.9. Reguły sum 166
5.10. Podsumowanie 168
Zadania 168
Rozdział 6. Oddziaływania międzykwarkowe i chromodynamika kwantowa 171
6.1. Kolorowe stopnie swobody 171
6.2. Potencjał QCD na małych odległościach 172
6.3. Potencjał QCD na dużych odległościach: model strunowy 177
6.4. Dżety gluonowe w anihilacji e+e− 180
6.5. Efektywne stałe sprzężenia w QED i QCD 182
6.6. Ewolucja funkcji struktury w rozpraszaniu głęboko nieelastycznym 186
6.7. Gluonium i plazma kwarkowo–gluonowa 190
Zadania 191
Rozdział 7. Oddziaływania słabe 193
7.1. Klasyfikacja oddziaływań słabych 193
7.2. Uniwersalność leptonów 195
7.3. Jądrowy rozpad b: teoria Fermiego 196
7.4. Odwrotny rozpad b: oddziaływania z udziałem neutrin 200
7.5. Niezachowanie parzystości w rozpadzie b 202
7.6. Skrętność neutrina 204
7.7. Sprzężenie V − A 206
7.8. Zasada zachowania dla prądów słabych 208
7.9. Bozony W i stała Fermiego 209
7.10. Rozpad pionu i mionu 210
7.11. Słabe prądy neutralne 213
7.12. Zaobserwowanie bozonów W± i Z0 w zderzeniach p¯p 216
7.13. Produkcja Z0 w kolajderach e+e− 219
7.14. Słabe rozpady kwarków. Model GIM i macierz CKM 221
7.15. Obojętne mezony K 226
7.16. Niezachowanie CP w rozpadach obojętnych kaonów 231
7.17. Niezachowanie CP a kosmologia 237
7.18. Mieszanie mezonów D0– ¯D0 i B0–¯B0 237
Zadania 239
Rozdział 8. Oddziaływania elektrosłabe i model standardowy 242
8.1. Wstęp 242
8.2. Wyrażenia rozbieżne w teorii oddziaływań słabych 243
8.3. Wprowadzenie prądów neutralnych 245
8.4. Model Weinberga–Salama 246
8.5. Masy bozonów pośredniczących 248
8.6. Sprzężenia leptonów i kwarków w modelu elektrosłabym 249
8.7. Rozpraszanie neutrin przez wymianę Z 250
8.8. Asymetrie w rozpraszaniu spolaryzowanych elektronów na deuteronie 253
8.9. Doświadczenia przy energiach bliskich rezonansu Z 255
8.10. Dopasowanie do modelu standardowego i poprawki radiacyjne 260
8.11. Produkcja par W+W− 263
8.12. Spontaniczne łamanie symetrii i mechanizm Higgsa 266
8.13. Produkcja i detekcja cząstek Higgsa 271
Zadania 274
Rozdział 9. Zjawiska wykraczające poza model standardowy 276
9.1. Supersymetria 277
9.2. Teorie wielkiej unifikacji: model SU(5) 278
9.3. Skala energii unifikacji i kąt mieszania dla oddziaływań słabych 280
9.4. Supersymetryczny model SU(5) 282
9.5. Rozpad protonu 283
9.6. Masy neutrin: neutrina Diraca i Majorany 286
9.7. Oscylacje neutrin 287
9.8. Monopole magnetyczne 299
9.9. Superstruny 300
Zadania 301
Rozdział 10. Fizyka cząstek elementarnych i kosmologia 303
10.1. Prawo Hubble’a i rozszerzający się Wszechświat 303
10.2. Równanie Friedmanna 304
10.3. Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie reliktowe: gorący Wielki Wybuch 307
10.4. Era dominacji promieniowania i era dominacji materii 311
10.5. Nukleosynteza podczas Wielkiego Wybuchu 313
10.6. Asymetria między liczbą barionów i antybarionów 317
10.7. Ciemna materia 319
10.8. Inflacja 327
10.9. Astronomia neutrinowa: SN 1987A 330
Zadania 336
Rozdział 11. Metody doświadczalne 338
11.1. Akceleratory 338
11.2. Akceleratory z wiązkami przeciwbieżnymi 343
11.3. Zespoły akceleratorów 347
11.4. Separatory cząstek wtórnych 347
11.5. Oddziaływanie cząstek naładowanych i promieniowania z materią 349
11.6. Detektory pojedynczych cząstek naładowanych 356
11.7. Detektory kaskad i kalorymetry 367
Zadania 373
Dodatek A. Cząstki elementarne 376
Dodatek B. Najważniesze wydarzenia w historii fizyki cząstek elementarnych 378
Dodatek C. Współczynniki Clebscha–Gordana i funkcje d 385
Dodatek D. Harmoniki sferyczne, funkcje d i współczynniki Clebscha–Gordana 391
Dodatek E. Relatywistyczna normalizacja dla przekrojów czynnych i szybkości rozpadu 394
Glosariusz 396
Odpowiedzi do zadań 406
Literatura polecana do dalszych studiów 410
Literatura 416
Skorowidz 419
