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Particle And Nuclear Physics - Niels Walet

Particle And Nuclear Physics - Niels Walet - P615 Nuclear...

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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.
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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
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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 CPT 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
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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
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    As a current student on this bumpy collegiate pathway, I stumbled upon Course Hero, where I can find study resources for nearly all my courses, get online help from tutors 24/7, and even share my old projects, papers, and lecture notes with other students.

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    Kiran Temple University Fox School of Business ‘17, Course Hero Intern

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    Student Picture

    Dana University of Pennsylvania ‘17, Course Hero Intern

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    The ability to access any university’s resources through Course Hero proved invaluable in my case. I was behind on Tulane coursework and actually used UCLA’s materials to help me move forward and get everything together on time.

    Student Picture

    Jill Tulane University ‘16, Course Hero Intern