粒子物理基础

课程编码：180081070202P2001H-1 英文名称：Introduction of Particle Physics 课时：60 学分：3.00 课程属性：专业核心课 主讲教师：吕才典等

本课程是粒子物理和核物理专业的基础课，通过本课程的学习，希望学生理解粒子物理的标准模型，即按目前的认识水平，构成物质的最小单元是夸克和轻子，自然界存在强相互作用，电磁相互作用，弱相互作用和引力相互作用，掌握对称性和守恒定律在粒子物理中的应用，此外还要跟踪粒子物理实验的最新进展。通过本课程的学习使学生为进一步从事粒子物理的研究打下坚实的基础。

量子力学, 电动力学

第一章 引言 4.0学时
第1节 粒子物理学的研究内容： “基本”粒子谱；粒子物理理论概要；自然单位制
第2节 粒子的基本性质:质量、寿命、宽度、电荷、自旋、螺旋度、磁矩
第3节 场、粒子与相互作用： 场和粒子，基本相互作用
第4节 粒子的分类：稳定粒子和共振态，轻子-夸克层次粒子的分类
第二章 粒子的运动和动力学性质 8.0学时
第1节 洛伦兹变换和洛仑兹变换的快度描写
第2节 实验室坐标系和质心坐标系：质心坐标系和反应有效能量，反应Q值和阈能，一些物理量在质心系和实验室系之间的变换关系
第3节 相空间：n体末态相空间，不变相空间积分 不变质量谱
第4节 几种典型的运动学问题： N个粒子反应的Lorentz不变量，2-2反应中的s,t,u不变量，二体衰变运动学，三体衰变运动学，二体反应截面
第三章 高能物理实验简介 3.0学时
第1节 直线加速器与环形加速器基本原理
第2节 束流聚焦与稳定，同步辐射原理，复合型加速器构建
第3节 探测器基本原理，带电粒子探测，切伦科夫计数器，强子量能器，电磁量能器
第4节 未来加速器与探测器技术展望
第四章 对称性和守恒定律 9.0学时
第1节 守恒量的一般性质
第2节 Noether定理
第3节 宇称变换（P变换）
第4节 正反粒子(C)变换
第5节 G变换
第6节 CP变换
第7节 全同粒子交换变换
第8节 正反粒子组成系统的对称性
第9节 守恒定律的回顾
第五章 强子与强子间相互作用 8.0学时
第1节 核力和汤川势
第2节 核子和π介子
第3节 核力与同位旋：核力的电荷对称性和电荷无关性，同位旋的基本概念，两个核子体系的同位旋，πN系统的同位旋，同位旋守恒定律，同位旋的破坏
第4节 奇异粒子: K介子和超子4.5.1 奇异粒子的发现，奇异粒子的性质，重子数B，超荷Y,盖尔曼-西岛关系，奇异粒子的自旋和宇称
第5节 共振态：弹性散射的分波分析，共振态的产生和描写，重子共振态，介子共振态
第六章 强子结构和夸克模型 10.0学时
第1节 夸克模型
第2节 重夸克和重夸克偶素
第3节 重子十重态
第4节 重子八重态
第5节 轻介子系统：赝标量介子
第6节 轻矢量介子
第7节 重味介子
第8节 强子的命名规则
第9节 色相互作用-QCD
第七章 轻子 5.0学时
第1节 轻子的基本性质：β衰变和中微子发现，反β衰变和中微子相互作用，中微子的螺旋度和手征性，电子和μ子的磁矩
第2节 轻子数守恒和轻子的普适性
第3节 中微子质量问题
第4节 中微子震荡
第八章 电弱相互作用 10.0学时
第1节 弱相互作用现象
第2节 弱相互作用的理论
第3节 GIM机制和CKM矩阵
第4节 中性K介子的对称性
第5节 介子的纯轻子衰变
第6节 Higgs机制
第7节 电弱统一理论
第8节 费米子散射过程
第九章 超出标准模型的新物理 3.0学时
第1节 更高电弱对称性的探寻
第2节 大统一及超大统一理论
第3节 Technicolor、超对称理论等超出标准模型的理论
第4节 超弦和额外维数
第5节 粒子宇宙学

吕才典，1989年8月本科毕业于北京大学物理系。1994年7月获北京大学物理系理论物理专业博士学位。随后在中科院理论物理研究所、以色列理工大学、德国汉堡大学、日本广岛大学作博士后等研究工作。2006年获得国家基金委“杰出青年基金”。2015年度国家基金委创新研究群体学术带头人。现任中国科学院高能物理研究所研究员，博士生导师，所学位委员会委员，国际著名专业物理期刊The European Physical Journal C 编委。

陈莹，1992年毕业于北京大学地球物理系；获理学学士，1997年毕业于北京大学物理系理论物理专业，获博士学位；1997年到中国科学院高能物理研究所从事博士后研究并于1999年11月留所工作至今，期间曾于2002年9月至2003年12月赴美国Kentucky大学访问交流；2006年被聘为高能物理研究所研究员。从事强相互作用和强子物理的格点QCD数值模拟研究，发表学术论文50余篇（SCI论文30余篇，论文被引用次数1000余次，其中单篇引用超过50次的论文6篇）。 关于胶球质量谱计算的论文(Phys. Rev. D 73, 014516 (2006))受到关注并被广泛引用（引用次数204次），并被国际权威的Particle Data Group连续收录于2006、2008、2010和2012年的《粒子物理评论》(Review of Particle Physics)中。他和合作者在国际上首次开展了J/psi辐射衰变到胶球分宽度的格点QCD数值模拟研究并得到了可靠的理论预言，对在实验上寻找和确定胶球态有重要的理论指导意义。他们关于标量胶球辐射产率的结果已经发表在国际权威期刊Physical Review Letters 上(Phys. Rev. Lett. 110, 021601 (2013))， 关于张量胶球的文章也已经被Physical Review Letters 正式接受发表（Phys. Rev. Lett. 111 (2013, in press) )。 在轻强子谱的研究方面，同其合作者关于五夸克态的格点QCD计算指出五夸克态theta+可能并不存在（Phys. Rev. D70（2004）074508）；关于Roper共振态的计算结果表明其可能为核子的第一径向激发态。这两个工作受到广泛关注（分别被引用119次和133次）。