NUCLEAR AND PARTICLE PHYSICS  (2nd Edition)

Contents

NOTES

1        BASIC CONCEPTS

          1.1     History
                    1.1.1    The origins of Nuclear Physics
                    1.1.2    The Emergence of Particle Physics: the Standard Model and Hadrons
          1.2     Relativity and Antiparticles
          1.3     Symmetries and Conservation Laws
                    1.3.1     Parity                    
                    1.3.2     Charge Conjugation

                    1.3.3     Time Reversal
          1.4     Interactions and Feynman Diagrams
                    1.4.1     Interactions                    
                    1.4.2     Feynman Diagrams

          1.5     Particle Exchange: Forces and Potentials
                    1.5.1     Range of Forces
                    1.5.2     The Yukawa Potential
          1.6     Observable Quantities: Cross-sections and Decay Rates
                    1.6.1     Amplitudes
                    1.6.2     Cross-sections

                    1.6.3     Unstable States
          1.7     Units: Length, Mass and Energy
                    Problems 1
 
2        NUCLEAR PHENOMENOLOGY
          2.1     Mass Spectroscopy
                     2.1.1    Deflection Spectrometers
                     2.1.2    Kinematic Analysis
                     2.1.3    Penning Trap Measurements
          2.2     Nuclear Shapes and Sizes
                    2.2.1     Charge Distribution 
                    2.2.2     Matter Distribution 
          2.3     Semi-Empirical Mass Formula: the Liquid Drop Model 
                    2.3.1     Binding Energies
                    2.3.2     Semi-empirical Mass Formula           
          2.4     Nuclear Instability
          2.5     Radioactive Decay      
          2.6     BetaĞDecay Phenomenology
                    2.6.1     Odd-mass Nuclei
                    2.6.2     E
ven-mass Nuclei
          2.7     Fission
          2.8     GammaĞDecays
          2.9     Nuclear Reactions
                    Problems 2
 
3        PARTICLE PHENOMENOLOGY
          3.1     Leptons
                    3.1.1     Lepton Multiplets and Lepton Numbers;

                    3.1.2     Universal Lepton Interactions; the Number of Neutrinos
                    3.1.3     Neutrinos
                    3.1.4     Neutrino Mixing and Oscillations
                    3.1.5     Oscillation Experiments and Neutrino Masses

                    3.1.6     Lepton Numbers Revisited
          3.2     Quarks
                    3.2.1     Evidence for Quarks
                    3.2.2     Quark Generations and Quark Numbers
          3.3     Hadrons
                    3.3.1     Flavour Independence and Charge Multiplets
                    3.3.2     Quark model spectroscopy
                    3.3.3     Hadron Magnetic Moments and Masses

                    Problem 3
 
4        EXPERIMENTAL METHODS

          4.1     Overview
          4.2     Accelerators and Beams
                    4.2.1     DC Accelerators
                    4.2.2     AC Accelerators
                    4.2.3     Neutral and Unstable Particle Beams

          4.3     Particle Interactions with Matter
                    4.3.1     Short-range Interactions with Nuclei
                    4.3.2     Ionization Energy Losses
                    4.3.3     Radiation Energy Losses
                    4.3.4     Interactions of Photons in Matter

          4.4     Particle Detectors
                    4.4.1     Gas Detectors
                    4.4.2     Scintillation Counters
                    4.4.3     Semiconductor Detectors
                    4.4.4     Cerenkov Counters
                    4.4.5     Calorimeters

          4.5     Multi-Component Detector Systems
                    Problems 4
 
5        QUARK DYNAMICS: THE STRONG INTERACTION
         
5.1     Colour
          5.2     Quantum Chromodynamics (QCD)
          5.3     Heavy Quark Bound States
          5.4     The Strong Coupling Constant and Asymptotic Freedom
          5.5     Quark-Gluon Plasma
          5.6     Jets and Gluons
          5.7     Colour Counting
          5.8     Deep Inelastic Scattering and Nucleon Structure
                    5.8.1     Scaling
                    5.8.2     Quark-Parton Model
                    5.8.3     Scaling Violations and Structure Functions
                    Problems 5

 
6       WEAK INTERACTIONS AND ELECTROWEAK UNIFICATION
   
6.1     Charged and Neutral Currents
          6.2     Symmetries of the Weak Interaction
          6.3     Spin Structure of the Weak Interactions
                    6.3.1     Neutrinos
                    6.3.2     Particles with Mass: Chirality]

          6.4     W and Z Bosons
          6.5     Weak Interactions of Hadrons: Charged Currents
                    6.5.1     Semileptonic Decays
                    6.5.2     Selection Rules
                    6.5.3     Neutrino Scattering]
          6.6     Meson Decays and CP Violation
                    6.6.1     CP Invariance
                    6.6.2     CP Violation in K-long Decay
                    6.6.3     CP Violation in B-Decays
                    6.6.4     Flavour oscillations
          6.7     Neutral Currents and the Unified Theory 
                    6.7.1     Electroweak Unification
                    6.7.2     The Z-zero Vertices and Electroweak Reactions
                    Problems 6


7       MODELS AND THEORIES OF NUCLEAR PHYSICS
          7.1     The Nucleon-Nucleon Potential
          7.2     Fermi Gas Model
          7.3     Shell Model
                    7.3.1     Shell Structure of Atoms
                    7.3.2     Nuclear Magic Numbers
                    7.3.3     Spins, Parities and Magnetic Dipole Moments;
                    7.3.4     Excited States

          7.4     Non-Spherical Nuclei
                    7.4.1     Electric Quadrupole Moments
                    7.4.2     Collective Model
          7.5     Summary of Nuclear Structure Models
          7.6     Alpha Decay
          7.7     Beta Decay
                    7.7.1     Fermi theory
                    7.7.2     Electron and Positron Momentum Distributions

                    7.7.3     Selection Rules 
                    7.7.4     Applications of Fermi Theory
          7.8     Gamma Emission and Internal Conversion
                    7.8.1     Selection Rules
                    7.8.2     Transition Rates]
                    Problems 7

 
8        APPLICATIONS OF NUCLEAR PHYSICS
          8.1     Fission
                    8.1.1     Induced fission and Chain Reactions
                    8.1.2     Fission Reactors

          8.2     Fusion
                    8.2.1     Coulomb Barrier
                    8.2.2     Fusion Reaction Rates
                    8.2.3     Sttellar Fusion
                    8.2.4     Fusion reactors
          8.3     Nuclear Weapons
                    8.3.1     Fission Devices
                    8.3.2     Fission/Fusion Devices
          8.4     Biomedical Applications
                    8.4.1     Radiation and Living Matter
                    8.4.2     Medical Imaging Using Ionizing Radiation
                    8.4.3     Magnetic Resonance Imaging   

                    Problems 8

 
9       OUTSTANDING QUESTIONS AND FUTURE PROSPECTS          
          9.1     Overview
          9.2     Hadrons and Nuclei
                    9.2.1     Hadron Structure and the Nuclear Environment
                    9.2.2     Nuclear Structure
                    9.2.3     Nuclear Synthesis
                    9.2.4     Symmetries and the Standard Model
          9.3     The Origin of Mass: the Higgs Boson
                    9.3.1     Theoretical Background
                    9.3.2     Experimental Searches
          9.4     The Nature of the Neutrino
                    9.4.1     Dirac or Majorana?
                    9.4.2     Neutrinoless Double Beta Decay
          9.5     Beyond the Standard Model: Unification Schemes
                    9.5.1     Grand Unification
                    9.5.2     Supersymmetry
                    9.5.3     Strings and Things
          9.6     Particle Astrophysics
                    9.6.1     Neutrino Astrophysics
                    9.6.2     The Early Universe: Dark Matter and Neutrino Masses
                    9.6.3     Matter-Antimatter Asymmetry
          9.7     Nuclear Medicine
          9.8     Power Production and Nuclear Waste


A       SOME RESULTS IN QUANTUM MECHANICS
          A.1    Barrier Penetration
          A.2    Density of States
          A.3    Perturbation Theory and the Second Golden Rule
          A.4    Isospin Formalism
                    A.4.1     Isospin Operators and Quark States
                    A.4.2     Hadron States

B       RELATIVISTIC KINEMATICS
          B.1    Lorentz Transformations and Four-Vectors
          B.2    Frames of Reference
          B.3    Invariants
                    Problems B

 
C       RUTHERFORD SCATTERING
          C.1    Classical Physics
          C.2    Quantum Mechanics
                    Problems C

D       GAUGE THEORIES
         
D.1    Gauge Invariance and the Standard Model
                    D.1.1    Electromagnetism and the Gauge Principle
                    D.1.2    The Standard Model
          D.2    Particle Masses and the Higgs Field


E     DATA
         
E.1    Physical Constants and Conversion factors
          E.2    Tables of Particle Properties
                    E.2.1      Gauge Bosons
                    E.2.2      Leptons
                    E.2.3      Quarks
                    E.2.4      Low-lying Baryons
                    E.2.5      Low-lying Mesons
          E.3    Tables of Nuclear Properties
                    E.3.1      Properties of Naturally Ocurring Isotopes
                    E.3.2      The Periodic Table


F       SOLUTIONS TO PROBLEMS

REFERENCES

BIBLIOGRAPHY

INDEX




 
    < back