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Particle And Nuclear Physics
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Particle And Nuclear Physics Particle And Nuclear Physics Particle And Nuclear Physics
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P615: Nuclear and Particle Physics
Version 00.1
February 3, 2003
Niels Walet
Copyright
c
1999 by Niels Walet, UMIST, Manchester, U.K.
2
Contents
1 Introduction 7
2 A history of particle physics 9
2.1 Nobel prices in particle physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 A time line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Earliest stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 fission and fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5 Low-energy nuclear physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.6 Medium-energy nuclear physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.7 high-energy nuclear physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.8 Mesons, leptons and neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.9 The sub-structure of the nucleon (QCD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.10 The W
±
and
Z
bosons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.11 GUTS, Supersymmetry, Supergravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.12 Extraterrestrial particle physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.12.1 Balloon experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.12.2 Ground based systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.12.3 Dark matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.12.4 (Solar) Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Experimental tools 19
3.1 Accelerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1 Resolving power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.2 Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.3 DC fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 The main experimental facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.1 SLAC (B factory, Babar) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.2 Fermilab (D0 and CDF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.3 CERN (LEP and LHC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.4 Brookhaven (RHIC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.5 Cornell (CESR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.6 DESY (Hera and Petra) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.7 KEK (tristan) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.8 IHEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4 Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.1 Scintillation counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.2 Proportional/Drift Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.3 Semiconductor detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.4 Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.5
ˇ
Cerenkov Counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.6 Transition radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.7 Calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3
4 CONTENTS
4 Nuclear Masses 31
4.1 Experimental facts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1.1 mass spectrograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 Deeper analysis of nuclear masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 Nuclear mass formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5 Stability of nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.5.1 β
decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.6 properties of nuclear states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.6.1 quantum numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.6.2 deuteron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.6.3 Scattering of nucleons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.6.4 Nuclear Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5 Nuclear models
41
5.1 Nuclear shell model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.1.1 Mechanism that causes shell structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.1.2 Modeling the shell structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.1.3 evidence for shell structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2 Collective models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2.1 Liquid drop model and mass formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2.2 Equilibrium shape & deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.2.3 Collective vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2.4 Collective rotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.3 Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.4 Barrier penetration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6 Some basic concepts of theoretical particle physics 49
6.1 The difference between relativistic and NR QM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2 Antiparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.3 QED: photon couples to
e
+
e
−
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.4 Fluctuations of the vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.4.1 Feynman diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.5 Infinities and renormalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.6 The predictive power of QED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.7 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7 The fundamental forces
57
7.1 Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.2 Electromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.3 Weak Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.4 Strong Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8 Symmetries and particle physics 59
8.1 Importance of symmetries: Noether’s theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.2 Lorenz and Poincar´e invariance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.3 Internal and space-time symmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.4 Discrete Symmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.4.1 Parity
P
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.4.2 Charge conjugation
C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.4.3 Time reversal
T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.5 The CP T Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.6 CP
violation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
8.7 Continuous symmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.7.1 Translations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.7.2 Rotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.7.3 Further study of rotational symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.8 symmetries and selection rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.9 Representations of SU(3) and multiplication rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
CONTENTS 5
8.10 broken symmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.11 Gauge symmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
9 Symmetries of the theory of strong interactions 67
9.1 The first symmetry: isospin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9.2 Strange particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9.3 The quark model of strong interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
9.4 SU(4), . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
9.5 Colour symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
9.6 The feynman diagrams of QCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
9.7 Jets and QCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
10 Relativistic kinematics
75
10.1 Lorentz transformations of energy and momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
10.2 Invariant mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
10.3 Transformations between CM and lab frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
10.4 Elastic-inelastic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
10.5 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
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