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Particles and Nuclei
An Introduction to the Physical Concepts
By
Bogdan Povh, Klaus Rith, Christoph Scholz, Frank Zetsche
An Introduction to the Physical Concepts
By
Bogdan Povh, Klaus Rith, Christoph Scholz, Frank Zetsche
By
Publisher: Springer
Number Of Pages: 400
Publication Date: 2008-08-05
ISBN-10 / ASIN: 3540793674
ISBN-13 / EAN: 9783540793670
Product Description
This well-established textbook gives a uniform and unique presentation of both nuclear and particle physics. Analysis, Part 1, is devoted to disentangling the substructure of matter. This part shows that experiments designed to uncover the substructures of nuclei and nucleons have a similar conceptual basis, and lead to the present picture of all matter being built out of a small number of elementary building blocks and a small number of fundamental interactions. Synthesis, Part 2, shows how the elementary particles may be combined to build hadrons and nuclei. The fundamental interactions responsible for the forces in all systems become less and less evident in increasingly complex systems. A section on neutrino oscillations and one on nuclear matter at high temperatures bridge the field of "nuclear and particle physics" and "modern astrophysics and cosmology". The new edition incorporates a large amount of new experimental results on deep inelastic scattering (obtained at the Electron-Proton Collider HERA at DESY in Hamburg) into chapters 7 and 8. Translated into many languages, Particles and Nuclei has become a standard reference for advanced and undergraduate courses.
This well-established textbook gives a uniform and unique presentation of both nuclear and particle physics. Analysis, Part 1, is devoted to disentangling the substructure of matter. This part shows that experiments designed to uncover the substructures of nuclei and nucleons have a similar conceptual basis, and lead to the present picture of all matter being built out of a small number of elementary building blocks and a small number of fundamental interactions. Synthesis, Part 2, shows how the elementary particles may be combined to build hadrons and nuclei. The fundamental interactions responsible for the forces in all systems become less and less evident in increasingly complex systems. A section on neutrino oscillations and one on nuclear matter at high temperatures bridge the field of "nuclear and particle physics" and "modern astrophysics and cosmology". The new edition incorporates a large amount of new experimental results on deep inelastic scattering (obtained at the Electron-Proton Collider HERA at DESY in Hamburg) into chapters 7 and 8. Translated into many languages, Particles and Nuclei has become a standard reference for advanced and undergraduate courses.
Table of Contents
1 Hors d’oeuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Fundamental Constituents of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Fundamental Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Symmetries and Conservation Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Part I Analysis: The Building Blocks of Matter
2 Global Properties of Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 The Atom and its Constituents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Nuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Parametrisation of Binding Energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Charge Independence of the Nuclear Force and Isospin . . . . . . 21
Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Nuclear Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1 β-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 α-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Nuclear Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 Decay of Excited Nuclear States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1 General Observations About Scattering Processes . . . . . . . . . . . 41
4.2 Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 The “Golden Rule” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4 Feynman Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5 Geometric Shapes of Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1 Kinematics of Electron Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 The Rutherford Cross-Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3 The Mott Cross-Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
X Table of Contents
5.4 Nuclear Form Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5 Inelastic Nuclear Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6 Elastic Scattering off Nucleons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.1 Form Factors of the Nucleons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2 Quasi-elastic Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.3 Charge Radii of Pions and Kaons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7 Deep Inelastic Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.1 Excited States of the Nucleons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.2 Structure Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.3 The Parton Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.4 Interpretation of Structure Functions in the Parton Model . . . 91
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8 Quarks, Gluons, and the Strong Interaction . . . . . . . . . . . . . . 97
8.1 The Quark Structure of Nucleons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
8.2 Quarks in Hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8.3 The Quark–Gluon Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.4 Scaling Violations of the Structure Functions . . . . . . . . . . . . . . 108
Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
9 Particle Production in e+e− Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
9.1 Lepton Pair Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
9.2 Resonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
9.3 Non-resonant Hadron Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.4 Gluon Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
10 Phenomenology of the Weak Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
10.1 Properties of Leptons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
10.2 The Types of Weak Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
10.3 Coupling Strength of the Weak Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . 134
10.4 The Quark Families . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
10.5 The Lepton families . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.6 Majorana Neutrino? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.7 Parity Violation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.8 Deep Inelastic Neutrino Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
11 Exchange Bosons of the Weak Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . 151
11.1 Real W and Z Bosons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
11.2 Electroweak Unification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
12 The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Part II Synthesis: Composite Systems
13 Quarkonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
13.1 The Hydrogen Atom and Positronium Analogues . . . . . . . . . . . 171
13.2 Charmonium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
13.3 Quark–Antiquark Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
13.4 The Chromomagnetic Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
13.5 Bottonium and Toponium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
13.6 The Decay Channels of Heavy Quarkonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
13.7 Decay Widths as a Test of QCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
14 Mesons Made from Light Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
14.1 Mesonic Multiplets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
14.2 Meson Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
14.3 Decay Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
14.4 Neutral Kaon Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
15 The Baryons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
15.1 The Production and Detection of Baryons . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
15.2 Baryon Multiplets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
15.3 Baryon Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
15.4 Magnetic Moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
15.5 Semileptonic Baryon Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
15.6 How Good is the Constituent Quark Concept? . . . . . . . . . . . . . 225
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
16 The Nuclear Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
16.1 Nucleon–Nucleon Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
16.2 The Deuteron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
16.3 Nature of the Nuclear Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
17 The Structure of Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
17.1 The Fermi Gas Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
17.2 Hypernuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
17.3 The Shell Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
17.4 Deformed Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
17.5 Spectroscopy Through Nuclear Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
17.6 β-Decay of the Nucleus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
17.7 Double β-decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
18 Collective Nuclear Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
18.1 Electromagnetic Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
18.2 Dipole Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
18.3 Shape Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
18.4 Rotation States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
19 Nuclear Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
19.1 Thermodynamical Description of Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
19.2 Compound Nuclei and Quantum Chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
19.3 The Phases of Nuclear Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
19.4 Particle Physics and Thermodynamics in the Early Universe . 322
19.5 Stellar Evolution and Element Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
20 Many-Body Systems in the Strong Interaction . . . . . . . . . . . . 337
A Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
A.1 Accelerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
A.2 Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
A.3 Combining Angular Momenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
A.4 Physical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
Solutions to the Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
1.1 Fundamental Constituents of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Fundamental Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Symmetries and Conservation Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Part I Analysis: The Building Blocks of Matter
2 Global Properties of Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 The Atom and its Constituents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Nuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Parametrisation of Binding Energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Charge Independence of the Nuclear Force and Isospin . . . . . . 21
Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Nuclear Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1 β-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 α-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Nuclear Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 Decay of Excited Nuclear States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1 General Observations About Scattering Processes . . . . . . . . . . . 41
4.2 Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 The “Golden Rule” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4 Feynman Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5 Geometric Shapes of Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1 Kinematics of Electron Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 The Rutherford Cross-Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3 The Mott Cross-Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
X Table of Contents
5.4 Nuclear Form Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5 Inelastic Nuclear Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6 Elastic Scattering off Nucleons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.1 Form Factors of the Nucleons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2 Quasi-elastic Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.3 Charge Radii of Pions and Kaons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7 Deep Inelastic Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.1 Excited States of the Nucleons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.2 Structure Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.3 The Parton Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.4 Interpretation of Structure Functions in the Parton Model . . . 91
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8 Quarks, Gluons, and the Strong Interaction . . . . . . . . . . . . . . 97
8.1 The Quark Structure of Nucleons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
8.2 Quarks in Hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8.3 The Quark–Gluon Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.4 Scaling Violations of the Structure Functions . . . . . . . . . . . . . . 108
Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
9 Particle Production in e+e− Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
9.1 Lepton Pair Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
9.2 Resonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
9.3 Non-resonant Hadron Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.4 Gluon Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
10 Phenomenology of the Weak Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
10.1 Properties of Leptons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
10.2 The Types of Weak Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
10.3 Coupling Strength of the Weak Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . 134
10.4 The Quark Families . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
10.5 The Lepton families . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.6 Majorana Neutrino? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.7 Parity Violation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.8 Deep Inelastic Neutrino Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
11 Exchange Bosons of the Weak Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . 151
11.1 Real W and Z Bosons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
11.2 Electroweak Unification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
12 The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Part II Synthesis: Composite Systems
13 Quarkonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
13.1 The Hydrogen Atom and Positronium Analogues . . . . . . . . . . . 171
13.2 Charmonium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
13.3 Quark–Antiquark Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
13.4 The Chromomagnetic Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
13.5 Bottonium and Toponium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
13.6 The Decay Channels of Heavy Quarkonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
13.7 Decay Widths as a Test of QCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
14 Mesons Made from Light Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
14.1 Mesonic Multiplets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
14.2 Meson Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
14.3 Decay Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
14.4 Neutral Kaon Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
15 The Baryons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
15.1 The Production and Detection of Baryons . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
15.2 Baryon Multiplets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
15.3 Baryon Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
15.4 Magnetic Moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
15.5 Semileptonic Baryon Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
15.6 How Good is the Constituent Quark Concept? . . . . . . . . . . . . . 225
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
16 The Nuclear Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
16.1 Nucleon–Nucleon Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
16.2 The Deuteron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
16.3 Nature of the Nuclear Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
17 The Structure of Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
17.1 The Fermi Gas Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
17.2 Hypernuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
17.3 The Shell Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
17.4 Deformed Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
17.5 Spectroscopy Through Nuclear Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
17.6 β-Decay of the Nucleus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
17.7 Double β-decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
18 Collective Nuclear Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
18.1 Electromagnetic Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
18.2 Dipole Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
18.3 Shape Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
18.4 Rotation States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
19 Nuclear Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
19.1 Thermodynamical Description of Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
19.2 Compound Nuclei and Quantum Chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
19.3 The Phases of Nuclear Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
19.4 Particle Physics and Thermodynamics in the Early Universe . 322
19.5 Stellar Evolution and Element Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
20 Many-Body Systems in the Strong Interaction . . . . . . . . . . . . 337
A Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
A.1 Accelerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
A.2 Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
A.3 Combining Angular Momenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
A.4 Physical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
Solutions to the Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
