概 述 能物理学中的标准模型(SM) 已成为人类智慧的集大成者之,它发轫于大约个世纪前电子——第种基本的类点粒子||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,但它们出了本书的讨论范围。 概略而言,本书第1章是标准模型的个总结,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“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”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,给出了些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种新的对称性——联系时空和粒子自旋的对称性(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年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大可用性。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。 简单介绍下参考文献的获取。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,查找新的论文预印本,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章给出了道读者搜索文献的练习。 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。 |