Φυσική των Στοιχειωδών Σωματιδίων /B. R. Martin, G. Shaw

Πρόλογος των συντακτών της σειράς Φυσικής του Manchester ................................................... 13 Πρόλογος των συγγραφέων................................................ 15 Σημειώσεις........................................................................... 17

1 Μερικές βασικές έννοιες................................................. 21

1.1 Εισαγωγή............................................................................21

1.2 Αντισωματίδια ....................................................................23

1.2.1 Σχετικιστικές κυματικές εξισώσεις ..........................23

1.2.2 Η θεωρία οπών και το ποζιτρόνιο.............................26

1.3 Οι αλληλεπιδράσεις και τα διαγράμματα Feynman...........30

1.3.1 Βασικές ηλεκτρομαγνητικές διεργασίες....................30

1.3.2 Πραγματικές διαδικασίες...........................................32

1.3.3 Παραγωγή και εξαΰλωση ζεύγους ηλεκτρονίου ποζιτρονίου .........................................................................34

1.3.4 Άλλες διαδικασίες......................................................37

1.4 Η ανταλλαγή σωματιδίων ..................................................37

1.4.1 Η εμβέλεια δυνάμεων................................................37

1.4.2 Το δυναμικό Yukawa .................................................39

1.4.3 Η προσέγγιση της μηδενικής εμβέλειας....................40

1.5 Μονάδες και διαστάσεις.....................................................42

Προβλήματα 1..........................................................................46

2 Τα λεπτόνια και η ασθενής αλληλεπίδραση.................. 49

2.1 Πολλαπλότητα των λεπτονίων και οι λεπτονικοί αριθμοί .49

2.1.1 Τα ηλεκτρονικά νετρίνο.............................................50

2.1.2 Περαιτέρω γενεές ......................................................53

2. 2 Λεπτονικές ασθενείς αλληλεπιδράσεις .............................56

2.2.1 Η ανταλλαγή των W± και Z0......................................56

2.2.2 Οι διασπάσεις των λεπτονίων και η καθολικότητα ...59

2.3 Οι μάζες και η μίξη των νετρίνο ........................................61

2.3.1 Η μίξη των νετρίνο ....................................................62

2.3.2 Οι ταλαντώσεις νετρίνο.............................................65

2.3.3 Οι μάζες των νετρίνο .................................................74

2.3.4 Επανεξέταση των Λεπτονικών αριθμών....................76

Προβλήματα 2..........................................................................79

3 Τα κουάρκ και τα αδρόνια.............................................. 81

3.1 Τα κουάρκ...........................................................................82

3.2 Γενικές ιδιότητες των αδρονίων.........................................84

3.3 Τα πιόνια και τα νουκλεόνια ..............................................89

3.4 Σωματίδια με τους κβαντικούς αριθμούς παραδοξότητα, charm και bottom ...............................................................92

3.5 Βραχύβια αδρόνια ..............................................................98

3.6 Επιτρεπόμενοι και εξωτικοί κβαντικοί αριθμοί ...............104

Προβλήματα 3........................................................................109

4 Πειραματικές μέθοδοι....................................................111

4.1 Επισκόπηση......................................................................111

4.2 Επιταχυντές και δέσμες....................................................113

4.2.1 Γραμμικοί επιταχυντές.............................................114

4.2.2 Κυκλικοί επιταχυντές ..............................................115

4.2.3 Οι Επιταχυντές σταθερού στόχου και συγκρουομένων δεσμών ..........................................118

4.2.4 Δέσμες ουδέτερων και ασταθών σωματιδίων..........120

4.3 Αλληλεπιδράσεις σωματιδίων με την ύλη........................121

4.3.1 Αλληλεπιδράσεις μικρής εμβέλειας με πυρήνες......121

4.3.2 Απώλεια ενέργειας μέσω ιονισμού..........................124

4.3.3 Απώλεια ενέργειας μέσω ακτινοβολίας...................128

4.3.4 Αλληλεπιδράσεις φωτονίων στην ύλη.....................129

4.3.5 Εμβέλεια και μήκος αλληλεπίδρασης......................131

4.4 Ανιχνευτές σωματιδίων ....................................................132

4.4.1 Εισαγωγή .................................................................132

4.4.2 Ανιχνευτές ιονισμού με αέριο..................................134

4.4.3 Ανιχνευτές ημιαγωγών.............................................141

4.4.4 Απαριθμητές σπινθηρισμού.....................................142

4.4.5 Απαριθμητές Čerenkov και ακτινοβολία μετάπτωσης..............................................................143 4.4.6 Θερμιδόμετρα..........................................................148

4.5 Ανιχνευτικά συστήματα και πειράματα σε επιταχυντές...151

4.5.1 Η ανακάλυψη των μποζονίων W± και Z0 .................152

4.5.2 Oρισμένα σύγχρονα συστήματα ανιχνευτών...........157

4.6 Πειράματα χωρίς επιταχυντή ...........................................161

Προβλήματα 4........................................................................163

5 Οι Συμμετρίες του Χωρόχρονου................................. 167

5.1 Το αμετάβλητο της μετατόπισης......................................168

5.2 Το αμετάβλητο της περιστροφής......................................170

5.2.1 Η διατήρηση της στροφορμής.................................171

5.2.2 Η ταξινόμηση των σωματιδίων ...............................174

5.2.3 Η στροφορμή στο μοντέλο των κουάρκ..................176 5.3 Η ομοτιμία (parity)...........................................................178

5.3.1 Τα λεπτόνια και τα αντιλεπτόνια .............................180

5.3.2 Τα κουάρκ και τα αδρόνια .......................................181

5.3.3 Η ομοτιμία του φορτισμένου πιονίου......................183

5.3.4 Η ομοτιμία του φωτονίου ........................................184

5.4 Η συζυγία φορτίου ...........................................................185

5.4.1 Οι διασπάσεις των π0 και η............................................187

5.5 Το ποζιτρόνιουμ................................................................189

*5.5.1 Η λεπτή υφή ............................................................191

*5.5.2 Η C-ομοτιμία και οι εξαϋλώσεις ............................193

*5.6 Η αντιστροφή του χρόνου................................................194

5.6.2 Το spin του φορτισμένου πιονίου ............................196

Προβλήματα 5........................................................................198

6 Το μοντέλο των κουάρκ ................................................ 201

6.1 Η συμμετρία Isospin.........................................................202

6.1.1 Οι κβαντικοί αριθμοί του isospin ............................202

6.1.2 Οι επιτρεπτοί κβαντικοί αριθμοί..............................204

6.1.3 Παράδειγμα: τα βαρυόνια σίγμα (Σ) .......................206

6.1.4 Ο διαχωρισμός της μάζας των u, d κουάρκ .............207

6.2 Τα ελαφρύτερα αδρόνια ...................................................209

6.2.1 Τα ελαφρά μεσόνια..................................................209

6.2.2 Τα ελαφρά βαρυόνια................................................212

*6.2.3 Οι μαγνητικές ροπές των βαρυονίων .....................216

6.2.4 Ο διαχωρισμός της μάζας των αδρονίων.................218

6.3 Οι καταστάσεις βαρέων κουάρκ με L = 0 .................223

6.4 Το χρώμα ..........................................................................228

6.4.1 Τα φορτία χρώματος και ο περιορισμός..................229

*6.4.2 Οι κυματοσυναρτήσεις χρώματος και η απαγορευτική αρχή του Pauli...............................233

6.5 Charmonium και bottomonium........................................236

6.5.1 Charmonium............................................................238

6.5.2 To Bottomonium......................................................243

*6.5.3 Το δυναμικό μεταξύ κουάρκ–αντικουάρκ ..............243

Προβλήματα 6........................................................................246

7 QCD, πίδακες και γκλουόνια ....................................... 249

7.1 Κβαντική χρωμοδυναμική................................................249

7.1.1 Η ισχυρή σταθερά ζεύξης........................................253

7.1.2 Η θωράκιση και η ασυμπτωτική ελευθερία.............257

*7.1.3 Εξωτικά αδρόνια......................................................260

*7.1.4 Το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων ..............................268

7.2 Η εξαΰλωση ηλεκτρονίων – ποζιτρονίων.........................271

7.2.1 Γεγονότα δύο πιδάκων.............................................271

7.2.2 Γεγονότα τριών πιδάκων .........................................274

7.2.3 Η συνολική ενεργός διατομή...................................275

Προβλήματα 7........................................................................278

8 Κουάρκ και παρτόνια.................................................... 281

8.1 Ελαστική σκέδαση ηλεκτρονίων: το μέγεθος του πρωτονίου...............................................281

8.1.1 Η κατανομή του στατικού φορτίου .........................282

8.1.2 Οι παράγοντες μορφής των πρωτονίων...................283

*8.1.3 Οι βασικές σχέσεις των ενεργών διατομών.............286

8.2 Η ελαστική σκέδαση ηλεκτρονίων και μιονίων...............288

8.2.1 Η βάθμιση του Bjorken ...........................................290

8.2.2 Το μοντέλο των παρτονίων......................................293

8.2.3 Οι κατανομές των παρτονίων και οι παραβιάσεις της βάθμισης............................................................294

8.3 Η ανελαστική σκέδαση νετρίνο .......................................298

8.3.1 Η ταυτοποίηση των κουάρκ και το φορτίο των κουάρκ ..............................................................301 *8.4 Άλλες διαδικασίες ............................................................303

8.4.1 Η παραγωγή ζευγών λεπτονίων...............................307

8.4.2 Πίδακες σε συγκρούσεις pp.....................................310

8.5 Τα τρέχοντα και τα συστατικά κουάρκ.............................313

Προβλήματα 8........................................................................316

9 Οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις: τα κουάρκ και τα λεπτόνια....................................... 319

9.1 Οι αντιδράσεις φορτισμένου ρεύματος............................321

9.1.1 Οι αλληλεπιδράσεις W± - λεπτονίου ........................322

9.1.2 Η συμμετρία λεπτονίων – κουάρκ και η μίξη τους ...........................................326

9.1.3 Οι διασπάσεις του μποζονίου W..............................332

* 9.1.4 Οι κανόνες επιλογής στις ασθενείς διασπάσεις....333

9.2 Η τρίτη γενιά ....................................................................337

9.2.1 Περισσότερα για την μίξη των κουάρκ ...................338

9.2.2 Οι ιδιότητες του t κουάρκ........................................341

*9.2.3 Η ανακάλυψη του t κουάρκ.....................................342

Προβλήματα 9........................................................................350

10 Οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις: η ηλεκτρασθενής ενοποίηση................................. 353

10.1 Τα ουδέτερα ρεύματα και η ενοποιημένη θεωρία ..........354

10.1.1 Οι βασικές κορυφές...............................................354

10.1.2 Η συνθήκη ενοποίησης και οι μάζες των μποζονίων W± και Z0 ..............................................357 10.1.3 Οι Ηλεκτροασθενείς αντιδράσεις..........................359

10.1.4 Η δημιουργία Z0 : πόσες γενιές υπάρχουν;.............362

10.2 Το αμετάβλητο βαθμίδας και το μποζόνιο Higgs...........366

10.2.1 Η ενοποίηση και η αρχή βαθμίδας ........................368 1

0.2.2 Οι μάζες των σωματιδίων και το πεδίο Higgs.......369

10.2.3 Οι ιδιότητες του μποζονίου Higgs.........................373

10.2.4 Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs......................378

Προβλήματα 10......................................................................387

11 Οι διακριτές συμμετρίες: C, P, CP και CPT ............. 391

11.1 Η παραβίαση της P, η παράβαση της C και η διατήρηση της CP..................................................391 11.1.1 Οι συμμετρίες της διάσπασης του μιονίου ...........393

11.1.2 Αριστερόστροφα νετρίνο και δεξιόστροφα αντινετρίνο ............................................................395 11.1.3 Η διάσπαση του πιονιού και του μιονίου επανεξετάζεται..................................................................398

11.2 Παραβίαση της CP και η μίξη σωματιδίων και αντισωματιδίων ..............................................................400

11.2.1 Οι καταστάσεις CP των ουδέτερων καονίων .......401

11.2.2 Η ανακάλυψη της παραβίασης της CP ..................404

*11.2.3 Οι διασπάσεις του που παραβιάζουν τη CP .....................................................................407 11.2.4 Οι ταλαντώσεις γεύσης και το θεώρημα CPT .......409

11.2.5 Η άμεση παραβίαση της CP στους ρυθμούς διάσπασης .............................................................414 11.2.6 Η μίξη .................................................416

*11.2.7 Η παραβίαση της CP σε συμβολή .........................423

*11.2.8 Η εύρεση των σχέσεων της μίξης..........................426

11.3 Η παραβίαση της CP στο καθιερωμένο πρότυπο...........428

Προβλήματα 11 ......................................................................433

12 Πέρα από το καθιερωμένο πρότυπο .......................... 435

12.1 Η μεγάλη ενοποίηση ......................................................436

12.1.1 Τα φορτία των κουάρκ και των λεπτονίων ..........438

12.1.2 Η ασθενής γωνία μίξης..........................................439

12.1.3 Η διάσπαση των πρωτονίων .................................439

12.2 Η υπερσυμμετρία ...........................................................444

12.2.1 Η αναζήτηση για την υπερσυμμετρία....................446

12.3 Χορδές και άλλα πράγματα............................................449

12.4 Φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων και η κοσμολογία.....................................................................451

12.4.1 Η σκοτεινή ύλη......................................................451

12.4.1 (β) Τα WIMP..........................................................454

12.4.2 Ασυμμετρία ύλης – αντιύλης.................................458

12.4.3 Η παραβίαση της CP και ηλεκτρική διπολική ροπή .......................................................................460

12.4.4 Τα Axion και το πρόβλημα της CP στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις....................................................462

12.5.1 Η διπλή βήτα διάσπαση.........................................467

Προβλήματα 12......................................................................474

A Σχετικιστική κινηματική............................................. 477

Α.1 Ο μετασχηματισμός του Lorentz για την ενέργεια και την ορμή ..........................................................................477

Α.2 Η αμετάβλητη μάζα.........................................................479

A.2.1 Ενέργειες δέσμης και ενεργειακό κατώφλι ............479

Α.2.2 Οι μάζες ασταθών σωματιδίων...............................481

*A.3 Ο μετασχηματισμός της γωνίας σκέδασης......................482

B Πλάτη και ενεργές διατομές ........................................ 489

Β.1 Ρυθμοί διάσπασης και ενεργές διατομές.........................489

B.2 Η συνολική ενεργός διατομή...........................................491

Β.3 Διαφορικές ενεργές διατομές...........................................493

*B.4 Το πλάτος σκέδασης........................................................495

B.5 Η συνάρτηση Breit-Wigner.............................................498

*B.5.1 Κατανομές διασπάσεων ..........................................499

*B.5.2 Ενεργές διατομές συντονισμού...............................502

Γ Ο φορμαλισμός του isospin.......................................... 507

Γ.1 Οι τελεστές του Isospin....................................................508

Γ.2 Οι καταστάσεις του isospin..............................................510

Γ.3 Οι πολλαπλότητες του Isospin .........................................511

Γ.3.1 Οι καταστάσεις των αδρονίων.................................512

Γ.4 Τα Ποσοστά διάσπασης....................................................514

Γ.5 Οι καταστάσεις του spin...................................................516

Δ Θεωρίες Βαθμίδας ........................................................ 519

Δ.3 Το αμετάβλητο βαθμίδας και η μάζα του φωτονίου........522

Δ.4 Η αρχή της βαθμίδας .......................................................525

Δ.5 Ο μηχανισμός του Higgs .................................................526

Δ.5.1 Η πυκνότητα φορτίου και ρεύματος.......................527

Δ.5.2 Τα μποζόνια με spin 0 .............................................528

Δ.5.3 Το αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας.................529

Δ.6 Η κβαντική χρωμοδυναμική............................................531

Δ.7 Οι ηλεκτρασθενείς αλληλεπιδράσεις...............................536

Δ.7.1 Το ασθενές isospin ..................................................536

Δ.7.2 Το αμετάβλητο βαθμίδας και τα φορτισμένα ρεύματα...................................................................538 Δ.7.3 Η συνθήκη ενοποίησης...........................................539

Δ.7.4 Η δομή του spin και η παραβίαση της ομοτιμίας.........542

Ε Απαντήσεις σε επιλεγμένες ερωτήσεις........................ 547

Βιβλιογραφία .....................................................................

553 Ευρετήριο .......................................................................... 559