Collider Physics (Frontiers in Physics) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Addison Wesley Longman

作者:Vernon D. Barger

出品人:

页数:624

译者:

出版时间:1996-09

价格:USD 44.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780201149456

丛书系列:

图书标签:

• ParticlePhysics
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• 数理
• 当代
• English
• 粒子物理学
• 高能物理
• 对撞机
• 标准模型
• 量子场论
• 探测器
• 实验物理
• 加速器物理
• 强子物理
• 正反粒子物理

宇宙的微小奥秘：探索物质最深层的结构与相互作用 在人类求知欲望的驱动下，我们不断将目光投向宇宙的宏伟壮丽，同时也深入探究物质的微观本质。从遥远的星系演化到构成我们身体的原子，每一个层面的理解都依赖于对基本粒子及其相互作用的认知。而“高能物理碰撞”正是解锁这些微小奥秘的一把关键钥匙，它以前所未有的精度和能量，以前所未有的方式，重现了宇宙大爆炸初期那短暂而至关重要的瞬间，为我们揭示了物质最深层的结构和支配它们的普适规律。 这本书，将引领读者踏上一段激动人心的探索之旅，深入了解高能物理碰撞的核心概念、前沿进展及其深远意义。它不仅仅是一本关于实验装置的科普读物，更是一扇通往理解宇宙起源、暗物质、暗能量以及我们所知物理学极限的窗口。我们将一同穿越时空的迷雾，去审视那些在普通条件下无法触及的粒子世界，去理解那些塑造了我们所见宇宙的强大力量。 第一章：基础粒子与基本相互作用——构建宇宙的基石 要理解高能物理碰撞的意义，首先必须建立起一个坚实的基础。本章将系统地介绍“粒子物理学的标准模型”。这不仅仅是描述已知基本粒子的一个理论框架，更是我们理解物质构成和相互作用的基石。我们将认识到，构成我们周围一切物质的，并非连续的介质，而是由一组基本粒子组成的离散单元。 夸克与轻子：物质的基本组成单元 我们将区分两大类基本粒子：夸克和轻子。夸克，如上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克，它们是构成质子和中子的基本构件，但它们本身却从未被独立观测到，这是“夸克禁闭”这一奇特现象的直接体现。我们也会深入了解轻子，包括电子、μ子、τ子以及与之对应的中微子。这些粒子在物质的稳定性和化学反应中扮演着至关重要的角色。我们将探讨它们的质量、电荷以及在不同相互作用中的表现。 规范玻色子：传递相互作用的信使 理解粒子之间的相互作用，离不开对“规范玻色子”的认识。它们是传递基本力的“信使”。我们将重点介绍四种基本力： 电磁相互作用： 由光子传递，它支配着原子结构、光、电和磁现象，是我们日常生活中最熟悉的相互作用。 强相互作用： 由胶子传递，它将夸克紧密地束缚在一起，形成质子和中子，并且是原子核得以存在的关键。我们将探讨色荷的概念，以及核力在原子核尺度上的表现。 弱相互作用： 由W和Z玻色子传递，它负责某些放射性衰变，例如β衰变，是中微子参与的相互作用，在恒星核聚变中也扮演着重要角色。 引力相互作用： 标准模型尚未完全涵盖引力，但我们知道它由引力子传递（尽管尚未直接探测到）。它在宏观尺度上起着主导作用，塑造了行星、恒星和星系的形成。 希格斯机制与希格斯玻色子：质量的起源 为何不同的基本粒子拥有如此差异巨大的质量？标准模型中的“希格斯机制”提供了答案。本章将详细解释希格斯场如何遍布宇宙，而粒子与之相互作用的强度决定了它们的质量。我们将认识到希格斯玻色子就是这个场的激发态，它的发现是粒子物理学的一项重大成就。 第二章：高能物理碰撞——模拟宇宙初期的实验室 有了基础粒子的知识，我们就可以开始理解高能物理碰撞是如何成为探索这些粒子的强大工具。本章将深入探讨高能物理碰撞的基本原理和实验装置。 加速器：为粒子注入能量 要观察基本粒子，就需要让它们以极高的速度运动，赋予它们巨大的动能。本章将介绍各种类型的粒子加速器，如直线加速器和环形加速器。我们将了解质子同步加速器、电子-正电子对撞机的工作原理，以及它们如何将粒子加速到接近光速。 碰撞的艺术：点亮宇宙的瞬间 当两个高能粒子发生碰撞时，它们可以将大部分动能转化为新的粒子。这就像是模仿宇宙大爆炸初期，在极高的能量密度下，能量转化为物质。我们将探讨不同类型的碰撞： 固定靶碰撞： 一个高能粒子轰击静止的靶材料。 对撞（Collider）碰撞： 两个高能粒子相向运动并发生碰撞，这种方式能够实现最高的能量密度，也是最有效率的产生新粒子或研究稀有现象的方式。 探测器：捕捉粒子的“指纹” 碰撞产生的粒子转瞬即逝，如何捕捉它们的信息是实验的关键。本章将介绍各种类型的粒子探测器，它们如同人类的感官，但能探测到我们肉眼无法触及的粒子。我们将了解： 径迹探测器： 记录粒子在磁场中的运动轨迹，从而推断粒子的动量和电荷。 量能器（Calorimeters）： 测量粒子的能量，通过让粒子在探测器材料中完全衰减来吸收其能量。 μ子探测器： 专门用来探测穿透性极强的μ子。 触发系统： 在海量的数据流中，快速识别出可能包含重要物理信息的“事件”，并进行记录。 鲁棒性与精度：实验设计的挑战 高能物理实验不仅需要强大的设备，还需要精密的计算和分析。本章也将触及实验设计的挑战，例如如何区分真正的物理信号与背景噪声，如何精确测量粒子的性质，以及如何设计复杂的探测器来适应不同的物理过程。 第三章：探索未知——高能碰撞的科学发现 高能物理碰撞的成果是巨大的，它不仅证实了标准模型，也为我们揭示了许多超出我们预期的现象。本章将重点介绍高能碰撞所带来的重大科学发现。 标准模型的成功：从夸克到希格斯玻色子 我们将回顾高能碰撞如何一步步验证了标准模型中的各个粒子和相互作用。例如，早期对强子结构的理解，对W和Z玻色子的发现，以及近些年对希格斯玻色子的探测，这些都是高能物理碰撞的里程碑式的成就。 超越标准模型（BSM）的线索：未解之谜 尽管标准模型取得了巨大成功，但它并不能解释宇宙中的所有现象。本章将深入探讨标准模型存在的局限性，以及高能碰撞实验中发现的一些“异常”或“暗示”，这些都可能是“超越标准模型”新物理学的曙光。 中微子质量： 标准模型中的中微子是无质量的，但实验表明它们具有微小的质量，这意味着标准模型需要修正或扩展。 暗物质与暗能量： 宇宙的大部分物质和能量是我们看不见的，它们被称为暗物质和暗能量。高能碰撞的实验是否能直接或间接探测到构成暗物质的粒子？这是当前研究的热点。 物质-反物质不对称性： 宇宙是由物质组成的，而不是物质和反物质的混合。为什么在宇宙大爆炸初期，物质相对于反物质有微小的优势？高能碰撞实验能否提供解释？ 额外维度、超对称性等新理论的探索： 物理学家提出了许多超越标准模型的新理论，例如存在额外的空间维度，或者存在超对称性粒子。高能碰撞实验正在积极地寻找这些新理论的证据。 宇宙学与粒子物理学的交叉：从大爆炸到现在的宇宙 高能物理碰撞提供了一个窗口，让我们能够模拟宇宙大爆炸后极早期的一些极端条件。通过研究这些极端条件下的粒子行为，我们可以更好地理解宇宙的演化历史，例如相变、宇宙暴胀等重要时期。 第四章：未来展望——下一代高能物理实验 科学探索永无止境，高能物理领域也在不断发展，下一代实验将带领我们走向更未知的领域。本章将展望未来的高能物理研究方向和计划。 下一代粒子加速器：追求更高的能量和精度 为了探索更高的能量尺度，研究更深层的粒子结构，科学家们正在设计和建造更大、更强大的粒子加速器，例如国际直线对撞机（ILC）、缪子对撞机等。这些新一代加速器将能够探测到能量更高的粒子，发现更重的粒子，并以更高的精度测量已知粒子的性质。 新一代探测器与数据分析技术：应对海量数据 随着加速器能量的提升，碰撞事件将更加复杂，产生的数据量也呈指数级增长。因此，对探测器的设计和数据分析技术提出了更高的要求。本章将介绍如何利用人工智能、机器学习等前沿技术来处理和分析这些海量数据，从中提取出有价值的物理信息。 多信使天文学的融合：天体与粒子物理的联动 近年来，多信使天文学（包括引力波、中微子、电磁波等）的兴起，为我们提供了从不同角度观测宇宙的新途径。本章将探讨粒子物理实验与天文学观测如何相互补充，例如通过研究某些高能天体现象（如中子星合并）来验证粒子物理理论，或者利用粒子物理的理论来解释天体观测到的现象。 基础科学研究的意义：对人类认知边界的拓展 最后，本章将回归到高能物理研究的本质意义。它不仅仅是为了满足人类的好奇心，更是对人类认知边界的不断拓展。理解宇宙最基本的组成部分和规律，将深刻地影响我们对自身、对生命、对整个宇宙的理解，并可能在未来催生出意想不到的技术革新。 这本书，将以一种清晰、严谨且富有启发性的方式，带领读者走进高能物理碰撞的世界，感受探索宇宙微小奥秘的无穷魅力。它将激发你对科学的兴趣，让你在惊叹于自然之精妙的同时，也认识到人类智慧的伟大力量。

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这本关于前沿物理学，尤其是聚焦于粒子对撞机物理学的专著，实在让人耳目一新。作者似乎并未遵循传统教科书那种循规蹈矩的叙事方式，而是采取了一种更加深入、更具探索性的视角来呈现这个领域的复杂性。我尤其欣赏其中对实验设计和数据分析方法的深入剖析，这部分内容对于任何希望在理论与实践之间架起桥梁的研究人员来说都至关重要。书中对于探测器技术进步的描绘，并非仅仅罗列参数，而是清晰地展示了技术瓶颈如何驱动了物理学想象力的边界拓展。举例来说，对于次级顶点探测器分辨率提升如何直接影响对粲夸克和底夸克衰变道的精确测量，讲解得极其透彻。此外，书中对于新物理模型（如超对称理论的某些特定场景）在LHC实验中迄今为止的“未发现”现象的讨论，也显得尤为克制和科学严谨，没有过度渲染“发现”的预期，而是着重于如何通过更精细的测量来排除或约束现有理论空间。这种务实而又富有洞察力的写作风格，让读者在跟随作者的思路深入高能物理的腹地时，始终能感受到一种被引导的、而非被灌输的阅读体验。整本书的结构安排，仿佛带领我们进行了一次精心策划的“思维漫游”，从基本原理出发，步步深入到目前最前沿、最烧脑的课题。

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该书在视觉呈现和内容组织上，体现出一种精心的平衡，旨在服务于专业读者。图表的质量非常高，那些复杂的运动学积分的几何解释，以及对不同截面随能量变化的半对数（semi-log）图，都清晰无比，极大地帮助理解了高维相空间的拓扑结构。尤其让我印象深刻的是，书中对“系统不确定性”（Systematic Uncertainties）的系统化处理。在当前的粒子物理研究中，系统误差往往比统计误差更难控制，也更能决定实验结果的最终精度。本书用一个专门的框架，将不同来源的系统误差（如能谱标定误差、探测器响应非线性误差、理论模型依赖性误差）进行了分类、量化和传播的详细说明。它不仅仅是告诉读者“存在系统误差”，而是提供了一套可操作的流程，指导研究人员如何构建一个稳健的误差预算表。这种对研究细节的关注，无疑是为那些打算参与下一代大型实验分析的博士生和青年研究人员量身定做的“加速器”。读完之后，你会感觉自己不仅学到了知识，更重要的是，习得了如何以一个高标准、严谨的实验物理学家的思维去面对数据。

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对于这本书的阅读体验，最突出的感受是其在概念层面的深度穿透力。它不像某些入门读物那样满足于描绘粒子物理学的宏伟蓝图，而是毫不犹豫地潜入那些决定物理学走向的关键数学和物理推导之中。书中对量子场论在强相互作用（QCD）下的非微扰效应处理，展现了作者扎实的理论功底。特别是关于高能散射过程中的软/硬辐射分离和对数重整化的讨论，用一种几乎是“解构”的方式，将原本晦涩难懂的重整化群流方程（RG flow）的物理图像展示得淋漓尽致。我记得其中有一章节专门探讨了束流强度的涨落如何通过复杂的反馈机制影响到准实时触发系统的效率，这一点在许多纯理论著作中是绝无仅有的。这种对实验工程与底层理论紧密结合的关注，使得这本书不仅仅是一本理论手册，更像是一份凝聚了多年一线经验的“实战指南”。它要求读者具备相当的数学素养，但回报是，读者将能真正理解为什么我们在特定的能量尺度下选择特定的有效场论描述。那些对费曼图计算感到困惑的人，或许能从本书提供的那些结构化步骤中找到清晰的脉络。

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这本书的论述风格，用一个词来形容就是“批判性继承”。它并未将标准模型视为不可撼动的真理，而是始终将其置于一个不断被更高精度实验所检验的动态框架之中。作者在讨论希格斯玻色子的性质时，并没有停留在测量其质量和衰变宽度这些基础工作上，而是花了大量篇幅探讨了如何设计实验来精确测量其三体耦合以及与顶夸克圈修正的微妙关联。这种对“细节决定成败”的强调，是判断一本前沿物理著作价值的重要标准。更值得称赞的是，书中对背景（Background）处理的复杂性进行了细致入微的描绘。在高亮度对撞机时代，区分信号与海量背景的能力已成为物理发现的关键瓶颈。书中对于蒙特卡洛（MC）模拟的局限性，以及如何利用机器学习技术来提升事件分类的效率和泛化能力，提供了非常前瞻性的见解。这种前瞻性不仅体现在对未来技术路线图的预测上，更体现在对现有分析范式进行自我审视的态度上。读完之后，你会深刻理解，粒子物理学的进步，往往是在对“已知”的极限进行最苛刻的压力测试中实现的。

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我注意到这本书的行文组织带有强烈的“物理直觉塑造”的意图。不同于那种按照物理定律的逻辑顺序排列章节的传统做法，此书似乎是围绕着“最有趣的问题”来构建叙事的。比如，它可能会先探讨某个跨越多个能标的现象（如轻子普适性的不一致），然后回溯性地讲解为解决这个问题所需掌握的特定理论工具，比如手征微扰理论（Chiral Perturbation Theory）在低能区的应用，或者高维算符在有效拉格朗日量中的构建规则。这种“问题驱动”的结构，极大地增强了阅读的代入感和紧迫性。此外，书中对统计学在物理推断中作用的讨论，也远超一般的“拟合误差”层面。它深入探讨了贝叶斯推断与频率派方法在处理稀有事件和系统不确定性时的哲学差异，并结合实际的物理案例（如中微子质量的排序问题）进行了对比分析。这种对方法论本身的深刻反思，使得这本书的价值超越了单纯的知识传授，上升到了科学方法论的层面。

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没读完也不准备读完，闲来无事啃啃吧。书很好，这种显得有点脏乱的书，类似 Peskin & Schroeder ，读过的人才懂，是真有货，远比那些扯“现代思维”，“高级的数学”的好。有助于消除弦论大力丸愣头青对 phenomenology 的无知偏见。当年学量子场论二/规范场论的时候如果参考过就好了。

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