哈佛大学粒子物理教材评介与分析.doc

哈佛大学粒子物理教材评介与分析 张立彬（南开大学外国教材中心） 谢亚平（南开大学物理科学学院）内容摘要 本文介绍了美国哈佛大学粒子物理课程使用的教材的基本情况。通过评介与分析，建议国内编写同类教材时，也应由名家撰写、文献丰富、善用图表、因材施教、及时更新、问题新颖、风格多样等。关 键 词 哈佛大学；理论物理；粒子物理；教材评介；启示Particle Physics： A Comprehensive Introduction（粒子物理：综合导论）是美国哈佛大学物理系课程编号为5341的课程“Physics 248. Phenomena of Elementary Particle Physics ”（基本粒子物理唯像学）所选用的教材。该课程还有三本教科书，即Gauge Theories in Particle Physics、 Quarks and Leptons：An Introductory Course in Modern Particle Physics和 An Introduction to Gauge Theories and Modern Particle Physics。本文评介的教材Particle Physics： A Comprehensive Introduction由前言、正文、附录、参考文献和索引五个部分组成，其中正文13章，共473页。本书的作者是美国加州大学圣克鲁兹分校的Abraham Seiden教授。一、出版与作者情况Particle Physics ：a Comprehensive Introduction由美国加州大学圣克鲁兹分校的亚伯拉罕西顿(Abraham Seiden)教授撰写。2005年由美国安德森卫斯理(Addison Wesley)出版公司出版。1Abraham Seiden教授是美国加州大学圣克鲁兹分校粒子物理研究所的主任，该研究所是圣克鲁兹大学的一个独立的研究所，该所有30多位博士学位的科学家，它的研究领域为粒子物理学，天体粒子物理学和神经生物学，以及由于粒子物理学的革新而衍生出的其他学科领域。自从1978年以来，Abraham Seiden教授一般在这个研究所工作，1981年至今，亚伯拉罕教授一直是该该研究所的主任。Abraham Seiden教授1989年被选为美国科学学会的会员，1995年，他获得了圣克鲁兹大学自然科学领域杰出贡献奖。Abraham Seiden教授1967年在哥伦比亚大学获得应用物理学学士学位，1970年获得加州理工大学硕士学位，1974年获得加州大学圣克鲁兹分校的博士学位。Abraham Seiden教授的研究领域包括了夸克碎裂过程、深度非单散射，重介子的弱衰变亚，弱相互作用中的CP破坏和混合，电弱理论的自发对称性破缺以及强子的碰撞过程。亚伯拉罕教授是现在世界上大多数粒子碰撞加速器中心探测器建设工程的领导者。这些工程包括帮助欧洲核子中心大型强子对撞机制造硅阵列探测器来跟踪粒子。在Abraham Seiden教授的工作领域，他是高能物理领域的权威，他是美国斯坦福直线加速器和欧洲核子中心科学政策委员会的委员，大型微光探测引力波项目工程的委员。Abraham Seiden教授还是高能物理咨询委员会的成员，该委员会向美国国家自然科学基金会陈述意见。二、本书的创作背景自从上个世纪四十年代以来，费曼、施温格、朝永振一郎三个人提出量子点动力学以来，然后是高能加速器的运用，几十年以来，粒子物理取得了无以计数的科研成果。上个世纪七十年代，自从温伯格、萨拉姆和格拉肖三个人提出了标准模型以来，粒子物理又迎来了一个新的春天。通过无数的实验证明，标准模型在很多的情况下与实验符合的很好，但是，和任何理论一样，标准模型也不是终极理论，它也存在某些不能解决的问题。主要是中微子振荡和希格斯粒子的存在与否等问题。在标准模型下，中微子是无质量的粒子，但是实验上却观测到中微子有振荡现象，说明，它是有质量的，所以，标准模型必须修改。希格斯粒子通过和费米子之间的Yukawa相互作用而使费米子改变质量，在标准模型下，希格斯粒子必须存在，但是，在当今的实验观察中，还没有一个能够观测到希格斯粒子的实验实例。还有一个重要的问题就是在低能情况下，微扰方法在强相互作用的计算方法中完全失去了效力，使得强相互作用的问题变得非常复杂，至今没有一套完整的理论来解决强子的衰变问题。本书在以上的背景下，重点描述了标准模型的主要内容，包括基本粒子和基本相互作用的理论。2三、本书的主要内容这本教材涵盖了粒子物理中标准模型下的基本概念和理论，标准模型的目的是了解亚原子结构以及其中的基本相互作用的理论，进而使人类对微观尺度有一个更加深刻的认识。标准模型通过一些基本的粒子来描述三种基本的相互作用，这些基本粒子包括三代夸克和三代轻子以及传递相互作用的规范粒子。这些基本粒子已经被当今的自然科学研究所揭示了，它们的存在已经通过加速器的实验证明了，标准模型已经被无数次实验被证明了它的正确性。3粒子物理课程一般在研究生的二年级开设，在高等量子力学之后，和场论一般在同一年开设。通过多次课程实践经验的总结，我在本书中自然地就列出了狄拉克方程的形式，以及基本的场论知识。同时，我们假定学生学习本课程的时候已经学习完了量子力学，包括角动量和克莱不登-高登系数。在场论方面，我已经试图去阐述数学在解释物质中的作用了。这其中的物质是多自由度的，而不是单粒子的情形。在当今的粒子物理学中，我们可以写下一些方程来推测它们的因果联系，或者是通过实验现象来研究理论体系。我们这本书的内容是选用后一种研究方法来研究粒子物理学，这要求我们的学生更多地了解我们的理论体系和理解标准模型下的证据。特别是在强相互作用的非微扰理论下的情况更应该如此。本书可以作为一个学年的课程的教学任务，也可以作为一个学期的专题讨论版教材。例如，对于弱相互作用，前三章的内容可以调整，因为其他的课程已经讲述了。而对于夸克禁闭模型和强子理论来说可以更加简略地讲述。本书的主要内容分为三大部分，第一部分主要是讲粒子物理的研究方法，通过高能加速器上的碰撞实验和宇宙射线中的观测实例，从而观测其中的粒子之间的散射截面和衰败宽度。然后，告诉读者如果计算粒子物理中的散射截面和衰败宽度。第二部分是讲述微观世界的三种基本的相互作用以及基本粒子。三种基本作用包括电磁相互作用，书中讲述了轻子和轻子、轻子和光子之间的相互作用；第二种相互作用是强相互作用，本书在讲述强相互作用时候，讲述了强子的衰变，介子的衰变，以及强子的分类，强相互作用中的同位旋破坏和对称性研究方法等等；第三种相互作用是弱相互作用，本书在这里讲述了重介子的弱衰变，弱相互作用中的混合和CP破坏现象。第三部分是讲述了当今高能粒子物理的科学进展，主要是大动量转移的碰撞实验，在高能情况下，量子色动力学是可以用微扰方法来计算的，在大动量转移情况下，强相互作用具有渐进自由的特性，本书还在这一部分讲述了LHC的研究情况以及二十一世界的粒子物理研究领域并对未来的高能物理进行了展望。四、本书的学术价值本书虽是作为一本研究生教材，但其学术价值却很深入，由于作者的工作和学术背景，本书学术价值的重心在唯像研究。本书着重讲述了现在各加速器实验室的各种实验进展。比如，在3-5GeV能区，主要是C物理现象。北京正负电子对撞机所进行的实验，粲偶素物理一直在现在中高能物理的一点难点，因为在粲物理能区，由于耦合常数过大，整个微扰理论失效。本书在讨论粲物理问题主要是应用非微扰方法，这也是现在解决粲物理问题比较有效的方法。在9-12GeV能区主要是B物理，现在B物理的加速器主要有日本的B工厂等，现在B物理能区的主要研究方向是弱混合和CP破坏，本书在弱相互作用这一章中重点讲述了弱混合和CP破坏，这是最新的研究成果。另外还有中微子物理，也是当今粒子物理科学的前沿，本书也讲述了中微子的振荡，这是中微子有质量的间接证据，也是标准模型外所不能解释的问题。本书虽然为教材，但是对于这样的科学前沿问题做了深入的探讨，这是本书的一大亮点。4五、本书的主要特色5.1内容全面。本书作为一本高年级本科生和研究生的粒子物理教材，书中的内容涵盖了强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用三大基本相互作用。书中沿着历史的顺序，先是介绍了电磁相互作用，通过电磁相互作用给大家介绍了如何计算散射截面和衰败宽度。因为，电磁相互租用是现代物理学了解最深刻的基本相互作用，也是微扰计算最为精确的物理过程。然后，本书又介绍了强相互作用，强项互用因为低能情况下微扰计算失去了效力，所以只能用非微软的方法来对付强相互作用。最后，本书介绍了标准模型下的电弱相互作用。55.2物理图像清晰。作为一本唯像理论的粒子物理教材，本书没有过多的量子场论和重整化，而是直接通过费曼图，传播子理论讲述了三大基本相互作用。场论中的物理过程强调的是数学的严谨，但是缺少了清晰的物理过程的描述。本书弥补了这样的缺陷，重在强调物理过程，其中本书的传播子理论很清晰地描述了粒子的产生和湮没的过程。5.3数学计算过程详细。本书作为一本导论性质的粒子物理教材，但是，其中的数学过程却很清晰明了和详细。相对于佩斯金的高能物理导论而言，本书的数学过程详实但是不繁琐。其中佩斯金的高能物理导论主要讲的是试验中观测到的物理现象和基本的物理理论，数学计算的结果比较简略，这对于初学者是一个比较困难的过程，因为初学者往往很难理解高能物理中的计算过程。本书对于散射截面和衰败宽度给出了较为详实的计算过程，这很有利于初学者。5.4图表众多。物理作为一本以实验为基础的实验科学，最强调的是和实验的同步，为了说明复杂的物理过程，本书引用了很多的图表来阐述其中的物理过程，其中有散射费曼图，还有一些模拟图。通过以上几种图表，读者可以清晰地知道其中的物理行为。散射截面的图表最为说明其中的问题了，这也是现代高能物理研究的一个重要的方法，本书为了阐述清楚其中的计算结果，引入了很多的图表来说明情况，给人一种清晰、明朗的感觉。5.5紧密联系最新科研进展。本书成书于2004年，是适合于21世纪的前沿科学的教材。本书在讲述基础科学的同时，也融入了最新的关于高能物理的进展。其中，本书着重讲述了强子的衰变，弱相互作用的CP破坏和中微子振荡等最新的科学进展。其中，弱相互作用中的CP破坏是1998年的诺贝尔物理学奖获奖的课题，中微子振荡是2000年诺贝尔物理学奖获奖的课题。本书通过最新的科研动态和基础理论的联系启发读者，这是本书的一个鲜明的特色。5.6结构严谨，重点突出。本书开篇先讲实验上的怎么观测到高能物理的现象，然后，讲述如果计算散射截面和衰变宽度。这是我们认识自然世界的的方法，这些基础的东西在本书中虽然不是重点，但是是必须的。之后，本书着重讲述了三种基本相互作用的理论。这是本书的重点，也是我们认识自然世界的内容。本书作为一本唯像的粒子物理教材，也没有重点讲述重整化群的方法，因为，那是一般场论教材的内容，通过以上的轻重有别的指导思想完成的本书的结构明朗，沆然一气，学完本书之后，学生能够基本掌握粒子物理学科的基本知识。六、适用对象与社会反映本书出版以来，受到的各类读者的广泛好评，本书的主要读者群为物理系的研究生和高校的教师以及各研究所的研究员。因为本书与最近的科研进展紧密联系，本书的出版全球谷地的读者带来一种新的气息，受到广大专家学者以及学生的高度评价。美国休斯顿大学的Lawrence Pinsky教授曾说：“我早就觉得应该有一本关于当今粒子物理领域的教材了，我很欢迎这本重要的新的教材的出现。中国南开大学物理学院博士研究生王晓鹤评介本书说“通过这本书，可以了解粒子物理学的最新进展和新的科研方向，对于指导我的博士论文很有裨益。”美国加州理工大学物理系研究生John TD Jones评论： “我用这本书做教材，它的数学演算很明朗，我在这本书中了解到了粒子物理中的基本的计算过程”卓越亚马逊网友评论“作为一名初学者，这本书从基本的费曼图说起，然后再到最新的科学前沿，这是一本非常适合初学者的粒子物理教材。”七、对国内大学编写同类教材的启示本书为美国著名大学的教材，对于中国的高等教育教材建设有着很大的启示作用，主要有以下几点：7.1名家撰写。作者富有丰富的教学和科研经验，本书的作者Abraham Seiden教授是美国物理学会的会员，同时也是世界在建几个加速器探测器的指导者，他有着几十年的科研经验，对粒子物理的进展了解非常深入和透彻。能够把握住当今科研的动态，所以读者能从本书获得不少的收获。所以，我们中国的高等教育教材建设要上一个新台阶，必须也需要这样的大家来撰写教材。7.2文献丰富。丰富的引用文献，本书的引用文献有上百种，包括了粒子物理理论和实验的经典教材和论文。本书不仅列出了全书的参考文献，而且在每一章都给了这一章所需要的参考文献，本书的索引也是非常多，有几百条之多，这样给了读者很大的便利。而反观中国国内的一些教材，参考文献只有十几本，没有分章地列出本章的参考文献，而且没有索引，这样给读者带了很大的不便。所以，以后国内的教材也应该分章列出参考文献，在书后列出索引。7.3善用图表。本书在书中列出了很多的数据图表，这些图表通过横向和纵向的数据对比，使晦涩深奥的物理问题通过图表清晰地阐述清楚。在当今的实验方法来研究微观粒子都是通过加速器的对撞实验，然后测量反应的散射截面，共振态的能量来说明其中的物理规律，在微观世界里，我们没有直接的方法来了解其中的相互作用的基本规律，所以，只有运用间接的方法来了解微观世界的物理规律。通过图表可以使读者对实验过程的趋势有一个整体的印象，更加准确地了解其背后的物理规律。7.4. 因材施教。本书是美国教材的一个个例，通过这个个例我们可以看到美国教材的特点，那就是根据本课程的特点来量身定做地编写教材。本书是一个粒子物理的教材，侧重在物理图像和基本相互作用的直观理解，但是，作为粒子物理中的重要的重整化理论，本书没有深入的涉及，而是，把重整化理论放在量子场论来重点讲述。7.5 及时更新。当今科技日新月异，作为教材也在讲述基本理论的同时，也应该考虑到当今科技的最前沿的进展。这本书作为哈佛大学的教材给了我们中国高校教材建设一个重要的启示，那就是教材也是不断更新的，应紧跟时代科技的前沿。7.6 问题新颖。作为一本优秀的教材，本教材的课后习题非常合理，难度适中，而且，具有启发性。这是，美国优秀教材的一个重要的特点，学生在学习基本知识的同时，能够提出问题，这比只掌握课本内容而不思考问题要强一下，所以，一本好点教材一定要有好的启发性。7.7 风格多样。作为一个理科教材，当然不必要语言非常华丽、优美，但是也应该不干涩，在不失科学性、准确性的同时，也应写得语言流畅、理解通顺。这是本书给我们的另外一个启发，阅读本书，并不晦涩难懂，而是一种优美的享受。所以，我们希望中国高校的教材也应该注意语言方面的问题。八、本书的章节目录7第一章：粒子物理教程1.1： 导论1.2： 我们测量的是什么？1.3： 相互作用的结构 第二章：怎么去计算散射截面2.1： 自由粒子2.2： 0自旋粒子2.3： 拉氏量密度2.4： 对称性与拉氏量2.5： 1自旋粒子2.6： 1/2自旋粒子2.4： 特解的解释2.9： 态的时间态2.10：时间演化与粒子交换2.11：动量空间的传播子2.12：衰变率与散射截面的计算2.13: 粒子交换与汤川势2.14：量子场论第三章：轻子与光子的散射3.1： 相互作用的哈密顿量与轻子流3.2： 电子与子的散射3.3： 正负电子对湮没成正负子对的散射3.4： 电子与电子的散射3.5： 正负电子产生正负电子的散射3.6： 轻子对与光子对的散射过程3.7： 微扰展开的高阶项，费曼规则3.8： 洛伦兹不变性与场论3.9： 散射矩阵的特殊对称性第四章：强子4.1： 强相互作用的电荷结构4.2： 量子数4.3： 内禀对称性4.4： SU(2)群与SU(3)群的生成元4.5： 颜色场之间的相互作用4.6： 颜色场的势4.7： 束缚态的大小4.8： 重子第五章：同位旋与味道的SU(3)群，近似对称性5.1： 轻夸克族5.2： 轻介子5.3： Breit-Winger传播子与介子的寿命5.4： 矢量介子衰变5.5： 衰变的物理图像5.6： 三夸克重子态第六章：夸克的禁闭模型6.1： 夸克禁闭6.2： 重子的磁矩6.3： 介子与重子的质量6.4： 光子与矢量介子的耦合6.5： 赝标介子与矢量介子的辐射跃迁6.6： 赝标介子衰变为爽光子6.7： 本章小结第七章：颜色场的规范理论7.1： 局域规范不变性7.2: 标度无关性的矛盾7.3： 强项会作用的近似手征对称性7.4： 对称性自发破缺7.5： 拉氏量中的夸克质量第八章：费米子的弱相互作用8.1： 弱规范群8.2： 子的衰变8.3： Tau子的衰变8.4： 带电夸克流8.5: 带电的介子衰变8.6： 奇异熟改变的夸克流与K介子衰变8.7： 赝标介子的弱衰变的一般理论8.8： K介子向两介子的衰变的振幅8.9： K介子向三介子的衰变的振幅8.10：稀有的K介子衰变8.11：重夸克的弱衰变8.12：重夸克的有效理论8.13：本章小结 第九章：弱相互作用的混合现象9.1： 产生粒子的相互作用与探测9.2： 赝标介子的弱衰变的混合9.3： K介子系统9.4： D介子系统9.5： B介子系统9.6： 中微子振荡第十章：电弱相互作用的规范理论与对称性破缺10.1： 弱中性流10.2： 中性流混合10.3： Z介子的唯像理论10.4： 规范玻色子的自相互作用10.5：希格斯机制10.6: 温伯格-萨拉姆理论10.7: W、Z玻色子的质量修正10.8: 费米子质量的概述10.9: 马约拉纳中微子第十一章： 大散射截面过程11.1：过程的种类11.2：多极库伦散射11.3：电子与光子的