描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787302570516
结合特定开源软件，对强子对撞机的大横动量物理方面进行了充分而开放的讨论。内容涉及粒子物理的标准模型、电弱对称性破缺、对撞机物理基础、希格斯粒子搜索策略以及超对称和粒子物理的开放问题等。
本书全面的介绍了强子对撞机（质子-质子、质子-反质子）上大横动量反应的物理。作者首先介绍了高能物理的标准模型以及所使用的特殊探测器。然后给出了所要研究的高能对撞的一般性处理，总结了强子对撞机物理的当前前沿，特别是LHC的试验方案。作者也讨论了超出标准模型的一些猜测。
第1章 标准模型和电弱对称性破缺 1
1.1 能量前沿 1
1.2 标准模型的粒子 2
1.3 规范玻色子与费米子的耦合 5
1.4 规范玻色子的自耦合 7
1.5 COMPHEP 计算玻色子自耦合 8
1.6 玻色子和费米子的希格斯机制 11
1.7 希格斯相互作用和衰变 14
1.8 标准模型尚未解决的问题 17
第2章 探测器基础 21
2.1 标准模型粒子——映射到探测器子系统 21
2.2 径迹和“b标识” 25
2.3 电磁量能学——电子(e)和光子(?) 29
2.4 强子量能法——夸克与胶子喷注及中微子(丢失的ET) 33
2.5 ?子系统 46
2.6 典型的非弹事例 49
2.7 D0 和CDF 的复杂事例拓扑 52
第3章 对撞机物理 56
3.1 相空间和快度——“平台” 57
3.2 源函数——质子到质子 59
3.3 两体形成运动学 66
3.4 质子的类点散射 67
3.5 2 到1 Drell-Yan 过程 69
3.6 2→2 衰变运动学——“背靠背” 76
3.7 喷注碎裂 83
第4章 Tevatron 物理 89
4.1 QCD——喷注和双喷注 90
4.2 确定?s 93
4.3 直接光子产生 95
4.4 FNAL 的b 夸克产生 98
4.5 Fermilab 的t 夸克产生 100
4.6 Drell-Yan 以及轻子复合体 105
4.7 电弱产生 107
4.7.1 W 玻色子质量和宽度 107
4.7.2 W 的横动量 112
4.7.3 W 玻色子不对称性 113
4.7.4 Z 的b 对衰变，喷注谱学 115
4.8 来自精确电弱测量的希格斯质量 115
第5章 希格斯搜寻策略 122
5.1 LHC 截面 123
5.2 希格斯与“圈”的直接耦合 125
5.3 希格斯产生率 127
5.3.1 gg聚合 127
5.3.2 WW 聚合及“标识” 喷注 129
5.3.3 协同产生——HW、HZ、Htt 133
5.3.4 希格斯的对产生 135
5.3.5 三重规范玻色子产生 137
5.4 希格斯分支比和搜寻策略 137
5.4.1 b 142
5.4.2 ? ?? 143
5.4.3 ?? 145
5.4.4 WW→(l?)(l?) 146
5.4.5 ZZ→4l 148
5.4.6 ZZ→2l 2J 153
5.4.7 ZZ→2? 2J 154
5.5 亮度和发现的限制 154
5.6 希格斯质量的下限 156
第6章 超对称及高能物理的开放问题 160
6.1 代 161
6.2 混合参数 163
6.3 质量标度 165
6.4 GUT 165
6.5 超对称性——质子稳定性和耦合常数 173
6.6 SUSY-LHC 截面 175
6.7 SUSY 信号与谱 178
6.8 宇宙学常数(和SUSY?) 184
6.9 SUSY 和引力 185
附录A 标准模型 190
附录B 一个COMPHEP工作范例 198
附录C 运动学 208
附录D 跑动耦合 212
引言
概述
高能物理学中的标准模型(SM) 已成为人类智慧的集大成者之一，它发轫于大约一个世纪前电子——种基本的类点粒子||的发现。近十年来，神出鬼没的顶夸克和 ??中微子相继被发现。已被标准模型预言但还未被发现的粒子仅剩下希格斯粒子，其真空场据信为宇宙间所有粒子赋予质量(①。本书即致力于在质子{反质子对撞机上搜索希格斯粒子，这些加速器使质子和(反) 质子发生对撞。的确，人们在正负电子对撞机上也进行了相辅相成的努力，但它们超出了本书的讨论范围。
概略而言，本书第1章是标准模型的一个总结，给出了组成标准模型的粒子以及它们之间的相互作用，相关的数学细节安排于附录A。第1章以标准模型未回答、但看似又有基础重要性的12个问题结束。接下来的4章关注涉及电弱对称性破缺和希格斯玻色子的初两个问题。
在第2章，我们考察“一般的”通用目的探测器，它是那些用于质子-(反)质子对撞机中的探测器的一个代表。特别地，我们要检查第1章介绍的标准模型粒子在何种程度上能被“干净利落”地鉴别和测量。标准模型粒子的动量矢量和位置能被测量的精度十分重要，因为这会影响希格斯粒子的搜索策略。
第3章涉及质子-(反)质子对撞机中粒子产生的一些特定议题。给出的相关公式使读者能估算任意过程的反应率。此外，COMPHEP 程序则可以改善初的估计。不过，我们强烈鼓励读者在调用COMPHEP 或其他蒙特卡罗程序前先进行“粗略估算”。如在Ⅸ页“工具”一节的讨论，COMPHEP 程序在附录B中给予说明，读者可直接使用。运动学的细节在附录C 中给出。
第4章讨论对撞机近期采集的数据如何透露出标准模型的预言。这一章是关于质子-(反)质子对撞机上探索的大横动量现象物理学现状的“快照”。
第5章，我们开始冒险跳出现有数据的束缚。这一章致力于难以捉摸的希格斯玻色子的搜寻。大部分描述涉及位于欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)，这一装置计划在2007年投入运行(②，专门设计用来搜索和发现希格斯标量(零自旋)。不过，我们将看到这一搜索可能是漫长而艰巨的。
终在第6章，回到第1章提及的另外10个基本问题，给出了一些超出标准模型框架的理论线索及其结果。特别是讨论了自然界一种新的对称性——联系时空和粒子自旋的超对称性(SUSY) 的可能性，它可能在不久的将来被发现。
适 用 范 围
本书用到的数学复杂性不超过微积分。然而，提到的概念则需要较好的量子力学和狭义相对论知识，以及对场论的些许熟悉。其中，费恩曼图的知识是必需的，部分因为正文给出了费恩曼图的例子，同时COMPHEP 提供任意给定过程的费恩曼图。本书的目标读者是粒子物理方向高年级的研究生或研究人员。不过，为了适用于尽可能广泛和年轻的学生读者，不得不牺牲完整的理论严格性。
单位制
本书使用高能物理中的常见单位制。普朗克常数的量纲为动量(P)乘以长度(x)或者能量(E)乘以时间(t)。(请回忆海森伯不确定性原理，。) 于是 的量纲为能量乘以长度，数值上是0.2 GeV·fm。这里，能量单位使用电子伏(eV)，即1个电子通过1伏电势差所获得的能量，1 GeV = eV。长度单位通常使用费米(fm)，1 fm = cm，这是质子的大致大小。
其他具有能量单位的物理量正比于质量(m)、和动量cP。本书采用单位制，这样质量单位和动量一样，由GeV给出；例如，质子质量是0.938 GeV。利用，长度 x 和 ct 将具有能量倒数的量纲。符号[ ]表示一个物理量的量纲。读者应容易恢复单位制，只需将P换为cP，m换成，等等。
回想耦合常数表示相互作用的强度并刻画某个特定的力。例如，电磁学耦合常数是电子电荷e，“精细结构”常数无量纲。电磁势能是U(r) = eV (r) =，其中V (r)是电磁势。这样e2的量纲是能量乘以长度，[e2] = [V (r)r]，和的量纲一样。因此在我们采用的= c = 1 单位制中，e 也无量纲。??~ 1=1/37，可以发现e~ 0.303。对于另外两种强力和弱力，耦合常数以 gi 表示，相应的精细结构常数用 ?i 表示，其中i = s，W。
本书截面?的单位使用靶b (1 b= 10?24cm2)。注意(hc)2 = 0.4 GeV2·mb，这里1 mb = 10?27 cm2。COMPHEP 软件中截面的单位用pb，1 pb = 10?12 b，能量单位用GeV。举一个例子：当质心(CM) 能量为1 TeV = 1000 GeV，不计动力学和耦合常量，简单的量纲分析给出截面的标度预期为?~1/s~400 pb。
工具
本书给出的例子和习题都广泛使用计算工具COMPHEP，目的在于将正文略形式化的学术描述拓展为给与读者“亲自动手”操作的互动模式。我们的计划是读者应解决正文中的例题和课后练习，以期随后能够完全独立解决问题。COM-PHEP 运行于WINDOWS 平台，这也是我们采用它的原因，目的是提供计算工具的可用性。LINUX 操作系统也有相应的版本。
COMPHEP 程序是开源的。本书采用的方法是先代数计算，这使读者可以对考虑的物理量作粗略“估算”。然后再用COMPHEP 软件进行更细致的检查。附录B中详尽解释了COMPHEP 的使用和说明，并给出了一个完整的例子。此外还给出了获取(压缩的) 可执行程序和用户指南的网站。作者也在uscms.fnal.gov/uscms/dgreen 网站提供了这些材料。在www.winzip.com 和 www.pkware.com可下载开源软件，用于解压文件。
简单介绍一下参考文献的获取。高能物理领域互联网档案的使用相当先进，读者可直接在相关网站搜索研究文献。好的网站之一是洛斯·阿拉莫斯(Los Alamos)(①预印本服务器，xxx.lanl.gov(①。在该网站的“physics”下面的“High Energy Physics-Experiment” (hep-ex) 选项中可以检索作者，查找的论文预印本，或近期预印本，或摘要，还可以用“find”功能在选择的专题中检索。本书每章结尾引用的许多文献都指向此网站，读者可直接获取。
用以阅读存档文献的文件格式——ps和pdf文件——的开源程序也可以从网上获取。例如，pdf文件可以通过www.adobe.com下载免费软件阅读，Postscript或ps格式的文件可以从www.wisc.edu/ghost下载软件阅读。
另一个有用的站点是Fermilab②预印本图书馆fnalpubs.fnal.gov，它也在本书的参考文献中被大量引用。在这里可以下载Fermilab的文献，点击“preprints”后点击“search”能按作者或论文标题检索，然后就可以下载全文。第1章给出了一道读者搜索文献的练习。
高能物理的数据纲要可以在粒子数据组(Particle Data Group) 网站pdg.lbl.gov中查到。较长的综述文献全文可在www.AnnualReviews.org找到，使得学生能检索一些参考文献中给出的更长的文章。
显然，本书旨在更即时地传递给读者信息。全书6章末尾处列出的部分参考文献实际是专著。它们本身就包涵了丰富的知识资源，并且是额外的原始文献资源。
( ( ① 2012 年，欧洲核子研究中心宣布在大型强子对撞机上发现了希格斯玻色子。——译者注
( ② CERN LHC 实际在2008 年投入运行。——译者注
( ① 洛斯·阿拉莫斯国家实验室(LANL)。方便起见，以下将保留LANL、Fermilab(费米国家加速器实验室) 等称谓，而不使用译名。——译者注
① 现址：https://arxiv.org/。——译者注
② 费米国家加速器实验室（FNAL）, https://www.fnal.gov。由于历史原因，它也常被称为“Fermilab”。本书后文将直接使用Fermilab，而不做翻译。——译者注
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