Nuclear and Particle Physics: An Introduction（原子核・素粒子物理学入門）

引用

Martin, B. R., & Shaw, G. (2019). Nuclear and Particle Physics: An Introduction (3rd ed.). Wiley.

章の要約

本書は全10章と5つの付録からなる528ページで、原子核物理と素粒子物理をほぼ同じ重みで扱います。共通の導入の章に続いて、原子核の現象論、素粒子の現象論、実験方法がそれぞれ1章あり、第5章から第7章は素粒子の相互作用に集中し、第8章で再び核模型と崩壊に戻ります。第9章と第10章は外へ目を向け、応用と未解決の問題を扱います。最後の章を除く各章末に問題があり、一部の問題の簡単な解答は付録Eにあります。

第1章：基本概念

歴史的な導入（原子核物理の起源、素粒子物理の登場、標準模型）に続いて、両分野に共通の道具立てを扱います。相対論と反粒子、時空の対称性と保存則（パリティ、荷電共役、時間反転）、相互作用とファインマン図、粒子の交換・力・湯川ポテンシャル、断面積と崩壊率、単位です。

第2章：原子核の現象論

質量分析（ペニングトラップによる測定を含む）、原子核の形と大きさ、半経験的質量公式と液滴模型、原子核の不安定性、崩壊系列、β崩壊の現象論、核分裂、γ崩壊、核反応を扱います。

第3章：素粒子の現象論

レプトン（多重項、レプトン数、ニュートリノ、ニュートリノの混合と振動およびそれを示す実験）、クォーク（その証拠、世代）、ハドロン（フレーバーの独立性と荷電多重項、単純なクォーク模型、崩壊と寿命、磁気モーメントと質量、重いクォーコニウム、許される量子数とエキゾチックな量子数）を扱います。

第4章：実験方法

加速器とビーム、粒子と物質の相互作用（電離とふく射によるエネルギー損失、光子の相互作用）、粒子検出器（気体電離検出器、シンチレーション計数器、半導体検出器、チェレンコフ計数器、カロリメーター）、そして検出器システム全体を扱います。

第5章：クォークの力学：強い相互作用

色と量子色力学（強い結合定数、遮蔽、反遮蔽、漸近的自由）、新しい形の物質（エキゾチックなハドロン、クォーク・グルーオン・プラズマ）、ジェットとグルーオン、深非弾性散乱と核子の構造、その他の過程、カレントクォークと構成クォークを扱います。

第6章：弱い相互作用と電弱統一

荷電カレントと中性カレント、荷電カレント反応とクォークの混合、第3世代とトップクォーク、中性カレントと統一理論、ゲージ不変性とヒッグス粒子を扱い、ヒッグス粒子の発見で終わります。

第7章：弱い相互作用における対称性の破れ

パリティと荷電共役の破れ、弱い相互作用のスピン構造とカイラリティ、中性K中間子とCPの破れ、B中間子崩壊でのCPの破れとフレーバー振動、標準模型におけるCPの破れを扱います。

第8章：原子核物理の模型と理論

核子間ポテンシャル、フェルミ気体模型、殻模型、非球形核と集団模型に続き、α崩壊、β崩壊、γ崩壊（V−A理論と選択則を含む）を扱います。

第9章：原子核物理と素粒子物理の応用

核分裂（連鎖反応、原子炉、放射性廃棄物、加速器駆動システム）、核融合（元素合成と核融合炉を含む）、核兵器、生物医学への応用（放射線治療、医用画像、磁気共鳴画像）、その他の応用を扱います。

第10章：いくつかの未解決問題と今後の展望

ハドロンと原子核に関する未解決の問題、統一の枠組み（大統一、超対称性、ひも理論）、ニュートリノの性質（ニュートリノを伴わない二重β崩壊を含む）、素粒子天体物理（ニュートリノ天体物理、宇宙論と暗黒物質、物質・反物質の非対称性、アクシオン）を扱います。

付録

A、量子力学のいくつかの結果（障壁の透過、状態密度、第二の黄金律、アイソスピン）。B、相対論的運動学。C、ラザフォード散乱。D、ゲージ理論。E、一部の問題の簡単な解答。

主要概念

第1章：基本概念

• 保存則と対称性：パリティ、荷電共役、時間反転。
• ファインマン図と交換力：相互作用の表し方と、湯川ポテンシャルが力の到達距離を与える仕組み。
• 断面積と崩壊率：理論と実験を結ぶ観測量。

第2–4章：現象論と実験

• 半経験的質量公式：原子核の結合エネルギーの液滴模型。
• ニュートリノの混合と振動：ニュートリノが質量と混合角を持つ理由。
• 単純なクォーク模型：ハドロンの多重項、質量、磁気モーメント。
• 検出器：電離、シンチレーション、チェレンコフ検出器、カロリメーター。

第5–7章：標準模型

• 量子色力学：色、閉じ込め、漸近的自由。
• 深非弾性散乱：スケーリングとパートン分布。
• 電弱統一とヒッグス場：粒子の質量の起源。
• CPの破れ：中性K中間子とB中間子で見られる。

第8–10章：核模型、応用、未解決問題

• 殻模型：魔法数、スピン、パリティ、磁気モーメント。
• β崩壊：フェルミ理論、V−A、選択則。
• 核分裂と核融合：連鎖反応、原子炉、恒星での元素合成。
• 標準模型を超えて：大統一、超対称性、ニュートリノを伴わない二重β崩壊、暗黒物質。

批判的分析

長所

• 二つの分野の同等な扱い。 出版社は、学部生にも読みやすいまま原子核物理と素粒子物理を同等に扱う数少ない本の一つだと述べており、目次もそれを裏付けています。核の現象論と素粒子の現象論がそれぞれ1章を占め、第8章で核模型が続きます。
• 現象論の重視。 出版社は実験データの理解を重視する方針だと述べており、章立てでは現象論と実験方法が、標準模型と核模型の理論の章より前に置かれています。
• 第3版での更新。 出版社は、ヒッグス粒子の発見、ニュートリノ物理の最近の結果、超対称性など標準模型を超える理論の検証、核質量の高精度測定のためのペニングトラップを挙げています。目次には対応する節があります（ヒッグス粒子の発見は第6.5.4節、ペニングトラップは第2.1.3節）。
• 演習と補助資料。 最後の章を除く各章に問題があり、一部の解答は付録Eにあり、付属のウェブサイトには学生向けに奇数番号の問題の解答があります。
• 有用な付録。 量子力学の結果、相対論的運動学、ラザフォード散乱、ゲージ理論の付録が、本文が前提とする背景知識をまとめています。

短所

• 核理論の登場が遅い。 二つの分野が交互に現れるため、原子核物理を中心に学ぶ読者は、長い素粒子の第5–7章を経たあとの第8章で初めて殻模型と核崩壊の理論に出会い、章を飛ばし読みする必要があります。
• 深さより幅。 最後の2章（応用、および未解決問題と展望）は、多くの主題を各数ページで扱う概観であり、完全な論述ではありません。
• 前提知識。 出版社は本書を上級学部向けの講義の基礎、または大学院初期の参考書と位置づけています。量子力学の結果と相対論的運動学の付録が背景を補いますが、1年生向けの入門書ではありません。

コースにおける位置づけ

Martin と Shaw は、この原子核・素粒子物理のリストの中で最も範囲が広く、一冊の上級学部向け教科書で両方の分野を扱います。Close の Particle Physics: A Very Short Introduction と Dodd と Gripaios の The Ideas of Particle Physics は、素粒子の側をより軽く概念中心に紹介する入門書で（Close の本は数式を使わず、Dodd と Gripaios の本はある程度の数学を使うが重い形式は用いない）、先に読むのに向いています。Griffiths の Introduction to Elementary Particles はファインマン則や量子電磁力学を扱う計算中心の学部向け素粒子教科書で、素粒子の側では Martin と Shaw の現象論的な扱いより先へ進みます。Krane の Introductory Nuclear Physics は原子核の性質、崩壊、検出、反応を扱う上級の専門書で、原子核の側でより深く掘り下げます。

よくある進め方は、現代物理学の授業のあとに Martin と Shaw で両分野を一通り見渡し、必要に応じて Griffiths か Krane で片方の分野を深めることです。

本書の使い方

本書は、入門的な量子力学と特殊相対論を学んだ上級の学部生に向いており、大学院初期の参考書としても使えます。

実践的な進め方は次のとおりです。

• 両分野に共通の中核： 共通の概念は第1章、現象論は第2章と第3章。
• 素粒子の道筋： 第4、5、6、7章を順に読み、付録BとDを補助に使います。
• 原子核の道筋： 第2章と第4章（検出）、続いて第8章で模型と崩壊、第9章で応用。
• 概観としての読み方： 第9章と第10章は、中間の章の細部を知らなくても読めます。
• 問題： 章末問題を解き、付録Eの簡単な解答と照合します。