Е.А. Строковский

Лекции по основам кинематики элементарных процессов


I Лекции 1 и 2

  1. Введение
  2. Классификация ветвей физики частиц

II Лекции 3 и 4

  1. Кинематика реакций: первая встреча

III Лекции 5 и 6

  1. Глубоконеупругое рассеяние

IV. Лекции 7 и 8

  1. Переменные для "инклюзивных" измерений
  2. Двухчастичные распады
  3. Применения кинематики (специальные случаи)

V. Лекции 9 и 10

  1. Сечения реакций рассеяния
  2. Сечения и фазовый объем

VI. Лекции 11 и 12

  1. Диаграммы Далица и Чу-Лоу

VII. Лекции 13 и 14 162

  1. Диаграммы Далица и дискретные симметрии
  2. Экспериментальная физика и моделирование

VIII. Заключение

  1. Перспективы ядерной физики средних энергий

IX. Приложения

  1. Инструментальная база физики частиц и ядер
  2. Для любознательных

X. Задачи и упражнения

  1. Задачи и упражнения по теме курса
  2. Советы, указания, решения

XI. Рекомендуемая литература

  1. Книги и статьи общего характера
  2. Литература к отдельным темам

Вступление

... и предал я сердце мое тому, чтобы исследовать и испытать мудростью все, что делается под небом: это тяжелое занятие дал Бог сынам человеческим, чтобы они упражнялись в нем.

Екклезиаст

    Анализ кинематики реакций с участием элементарных частиц и ядер - основа основ в физике элементарных частиц. С него начинается обсуждение почти любого вопроса; без него фактически невозможно не только получить физический результат эксперимента, но даже ясно сформулировать предмет обсуждения. Вопросы релятивистской кинематики нечасто становятся исключительной темой монографий, но весьма часто рассеяны в оригинальных статьях.
    Говоря о кинематике в мире элементарных частиц и ядер, можно понимать ее в узком смысле, как анализ следствий строгих законов сохранения энергии-импульса и лоренцевой инвариантности. Полученные при этом результаты являются точными.
    Закон сохранения углового момента также является строгим, а элементарные частицы и ядра, как правило, обладают внутренним угловым моментом (спином). Результаты, получаемые как следствия закона сохранения углового момента, также являются точными и не зависят от моделей. Поэтому вполне допустимо понимать кинематику элементарных частиц в широком смысле, как дисциплину, рассматривающую следствия строго выполняющихся законов, основанных на точных симметриях нашего мира. Однако, как правило, вопросы, связанные со спином, в этом курсе не рассматриваются. Иными словами, считается, что состояние частиц полностью характеризуется только их 4-импульсом и массой. Вместе с тем, в ряде случаев, например, при обсуждении трехчастичных распадов частиц, все же придется вспоминать о других квантовых числах, определяющих состояния частиц, и исходить из расширенного понимания кинематики.
    Поскольку этот курс адресован студентам старших курсов университетов, подразумевается, что основные представления специальной теории относительности и физики элементарных частиц читателю известны. В частности, ему должны быть хорошо знакомы такие понятия, как четырехмерное пространство событий, 4-вектор энергии-импульса частицы, преобразования Лоренца а также понятие о релятивистских инвариантах. Предполагается также знакомство с основами квантовой механики и представлениями о координатном и импульсном пространствах. Такие вопросы философского характера, как смысл понятия физического пространства, в котором происходят физические события, смысл понятий времени и пространственных координат, равно как и способов арифметизации пространства (определения пространственных и временной координат физических событий) здесь не обсуждаются, так как они не относятся к предмету кинематики ни в узком, ни в широком смысле.

* * *

Рекомендуемые книги и статьи по кинематике и физике элементарных частиц.

    Книги А.М.Балдина, В.И.Гольданского, В.М.Максименко и И.Л.Розенталя [1], Г.И.Копылова [2], Е.Бюклинга и К.Каянти [3]. В.И.Гольданского, Ю.П.Никитина и И.Л.Розенталя [4] давно уже стали настольными справочниками любого физика, работающего в физике элементарных частиц и релятивистской ядерной физике. В них рассмотрены разные аспекты релятивистской кинематики элементарных процессов, и все четыре книги, имея много общего, взаимно дополняют друг друга. В этом ряду выделяется прекрасная книга Г.И.Копылова своим живым и поэтичным стилем изложения и в частности - яркой характеристикой предмета кинематики.
    Книга П.К.Рашевского [5] полезна начинающим физикам во многих отношениях: как для углубления понимания специальной теории относительности, так и в качестве введения в общую теорию относительности. Может показаться, что она не имеет прямого отношения в собственно кинематике, но это - только на первый взгляд.
    Статья Л.Б.Окуня [6], где обсуждается физический смысл понятия массы частицы, очень важна для понимания принципиальной разницы между понятием энергии (компоненты 4-вектора энергии-импульса) и инвариантной величиной, связанной с этим 4-вектором: его скалярного произведения на самого себя, которое имеет смысл квадрата его "длины" в четырехмерном пространстве и обозначается как m2. К сожалению, в последние десятилетия для величины m вошел в обиход совершенно неправильный и физически бессмысленный термин "инвариантная масса". Этот термин подразумевает, что кроме "инвариантной массы" есть и не инвариантная масса. Но ведь такого понятия нет!
    Статья Р.Фейнмана [7] дана в списке общей литературы потому, что в ней очень ясно изложены основы партонной картины взаимодействия частиц.

* * *

    В курсе лекций по основам кинематики элементарных процессов для студентов, специализирующихся в области физики элементарных частиц и ядерной физики, представляется уместным дать некоторые рекомендации по литературе, вводящей в эту область физики. Соответствующий список дан в хронологическом порядке.
    Знакомство с книгами [8] - [12] весьма полезно, хоть они во многих аспектах уже довольно старомодны (особенно, когда речь идет об обсуждении моделей элементарных процессов или о численных значениях фундаментальных или феноменологических постоянных). Вместе с тем, в них достаточно детально обсуждается ряд важных вопросов, которые в современных книгах обычно пропускаются как общеизвестные, хотя начинающим физикам знакомство с ними необходимо для понимания происхождения и физического смысла многих современных терминов или моделей.
    Книги [16] - [25] дают хорошее введение и общее представление о современной физике элементарных частиц и используемой в ней терминологии. Книги [9], [10], [13], [15] вводят читателя в круг понятий, идей и аппарата современной теории физики частиц, имея разный уровень сложности. Различные аспекты современной физики элементарных частиц, классифицированные по типу взаимодействий, обсуждаются также в книгах [14]- [19].
    Материал пособия сгруппирован по тематическому принципу. Принятое разделение на части, соответствующие одной паре лекций, достаточно условно: объем отдельной части не обязательно соответствует по времени четырем академическим часам, если в них не выделено время на разбор задач по теме курса.
    Первая, вводная, часть по своему содержанию ближе всего к очерку состояния физики частиц и ядерной физики в конце первой декады 21-го столетия с акцентом на область промежуточных энергий. Ее основное предназначение - дать студенту-старшекурснику минимальное представление о том круге идей и проблем, с которым ему, возможно, предстоит встретиться при вступлении в самостоятельную научную жизнь и в каком контексте ему (возможно) придется применять свои знания релятивистской кинематики.
    Вполне очевидно, что тематика этой части наиболее субъективна и отражает научные интересы автора в первую очередь.

О сборниках задач по физике элементарных частиц и ядерной физике.

    Удивительно, но оказывается, что современного специализированного отдельного задачника по основам релятивистской кинематики практически нет, хотя во всех рекомендованных книгах по кинематике есть задачи и упражнения практически ко всем их главам. То же самое можно сказать и по отношению к сборникам задач по физике ядра и частиц, хотя все же есть несколько интересных задачников довольно почтенного возраста [26]-[27].
    Представляется уместным дать в отдельном разделе подборку не слишком сложных задач и упражнений именно по материалу курса. Они составляют его неотъемлемую часть и сгруппированы в соответствии с темами лекций. Все же для серьезных упражнений и тренировки весьма полезно не ограничиваться только ими, а использовать еще и материал из книг [1, 2, 3, 4].

* * *

Соглашения о единицах измерений и обозначениях.

    Здесь приняты обычные для физики элементарных частиц соглашения о том, что энергии частиц измеряются в ГэВ, импульсы - в ГэВ/с, массы - в ГэВ/с2, углы - в радианах. Скорости частиц измеряются в единицах скорости света (то есть, скорость света в пустоте принята за 1).
    Как правило, все неинвариантные величины, взятые в системе центра масс, отмечаются звездочкой *. Обозначения трехмерных векторов даются жирным шрифтом, обозначения четырехмерных векторов обычно даны заглавными буквами в курсивном шрифте.

Рекомендуемые книги по кинематике элементарных частиц

  [1] А.М.Балдин, В.И.Гольданский, В.М.Максименко, И.Л.Розенталь, "Кинематика ядерных реакций", изд. 2, Атомиздат, М., 1968.
  [2] Г.И.Копылов, "Основы кинематики резонансов", "Наука", М., 1970.
  [3] Е.Бюклинг, К.Каянти, "Кинематика элементарных частиц", пер. с англ. под ред. Г.И.Копылова, "Мир", М., 1975.
  [4] В.И.Гольданский, Ю.П.Никитин, И.Л.Розенталь, " Кинематические методы в физике высоких энергий", М., "Наука", гл. ред. ф.-м. литературы, М. 1987.
  [5] П.К.Рашевский, "Риманова геометрия и тензорный анализ", изд. 3-е, "Наука", главн. ред. физико-математической литературы, М., 1967.
  [6] L.B.Okun, hep-ph/0602037
  [7] Основные идеи партонной картины взаимодействия адронов высоких энергий были сформулированы в сжатом виде (1969 г.) в знаменитой статье " Very high energy collisions of hadrons", R.P.Feynman, Phys. Rev. Lett. (1969) v.23 p.1415.

Рекомендуемые книги по физике частиц

  [8] Г. Челлен, "Физика элементарных частиц", пер. с англ. Г.В. Ефимова, под ред. P.M. Рындина, "Наука", Главн. ред. физико-математической литературы, М. 1966.
  [9] Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц, "Теория поля". Серия: Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц, "Теоретическая физика", том П. "Наука", Главн. ред. физико-математической литературы, М. 1967.
  [10] В.Б.Берестецкий, Е.М.Лифшиц, Л.П.Питаевский, "Релятивистская квантовая теория", часть I. Серия: Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц, "Теоретическая физика", том IV. "Наука", Главн. ред. физико-математической литературы, М. 1968.
  [11] С.Газиорович, "Физика элементарных частиц", пер. с англ. А.Д.Суханова, М., "Наука", Главн. ред. физико-математической литературы, М. 1969.
  [12] Р. Блин-Стойл, "Фундаментальные взаимодействия и атомное ядро", пер. с англ. под ред. И.С.Шапиро, "Мир", М., 1976.
  [13] Дж.Д.Бьеркен, С.Д.Дрелл, "Релятивистская квантовая теория", т.1 и 2, пер. с англ. Б.О.Кербикова (т.1), И.М.Народецкого (т.2) под ред. В.Б.Берестецкого, М.. "Наука", Главн. ред. физико-математической литературы, 1978.
  [14] Ф.Клоуз, "Кварки и партоны", пер. с англ. П.Б.Вигмана под ред. Н.Н.Николаева, М., "Мир", 1982.
  [15] Х.Пилькун, "Физика релятивистских частиц", пер. с англ. И.И.Иванчика под ред. И.М.Дремина, М., "Мир", 1983.
  [16] Л.Б. Окунь, "Физика элементарных частиц", М., "Наука", Главн. ред. физико-математической литературы, 1984.
  [17] Ф.Хелзен, А.Мартин, "Кварки и лептоны", пер. с англ. А.П.Каряки, Г.В.Григоряна, Н.Л.Тер-Исаакяна под ред. А.Ц.Аматуни, М., "Мир", 1987.
  [18] Ф.Комминс, Ф.Буксбаум, "Слабые взаимодействия лептонов и кварков", пер. с англ. А.В.Беркова, М., Энергоатомиздат, 1987.
  [19] Т.Эриксон, В.Вайзе, "Пионы и ядра", пер. с англ. В.М.Колыбасова, К.В.Протасова под ред. И.С.Шапиро, М., "Наука", Главн. ред. физико-математической литературы, 1991.
  [20] Д.Перкинс, "Введение в физику высоких энергий", изд. 3-е, пер. с англ. А.В.Беркова под ред. Б.А.Долгошеина, М., Энер-гоатомиздат, 1991; существует также дополненное и переработанное 4-е издание этой книги.
  [21] И.М.Тернов, "Введение в физику спина релятивистских частиц", МГУ, 1997.
  [22] А.Любимов, Д.Киш, "Введение в экспериментальную физику частиц", изд. 2-е, М., Физматлит, 2001.
  [23] М.Е.Пескин, Д.В.Шредер, "Введение в квантовую теорию поля", пер. с англ. А.В.Беркова под ред. А.А.Белавина, Научно-изд. центр " Регулярная и хаотическая динамика", Ижевск, 2001 г.
  [24] С.Вайнберг, "Квантовая теория поля", т.1 и 2, пер. с англ.; под ред. В.Ч.Жуковского, М., "Физматлит", 2003-2004.
  [25] И.М. Капитонов, "Введение в физику ядра и частиц", изд. 3-е, М.: КомКнига, 2006.

Рекомендуемые сборники задач

  [26] А.Камал, "Задачи по физике элементарных частиц", пер. с англ. К.П.Павлова, А.Д.Суханова под ред. Ю.М.Широкова, "Наука", Гл. ред. физ.-мат. литературы, М., 1968.
  [27] Л.Г.Гречко и др., "Сборник задач по теоретической физике", "Высшая школа", М., 1972.
  [28] Дж.Кронин, Д.Гринберг, В.Телегди, "Сборник задач по физике с решениями", пер. с англ. Г.В.Даниляна под ред. П.А.Крупчицкого, изд. 2-е, "Атомиздат", М., 1975.


На головную страницу

Рейтинг@Mail.ru