Skip to main content
Global

11.A: فيزياء الجسيمات وعلم الكونيات (الإجابات)

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196496

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    تحقق من فهمك

    11.1. 1

    11.2. 0

    11.3. 0

    11.4. 0

    11.5. 1 فولت

    11.6. يتم قطع نصف قطر المسار إلى النصف.

    11.7. الجسيمات المتصادمة لها كتلة متطابقة ولكن لحظات متجه معاكسة.

    11.8. تحول أزرق

    11.9. عن نفس الشيء

    أسئلة مفاهيمية

    1. القوة النووية القوية: التفاعل بين الكواركات بوساطة الغلوونات. القوة الكهرومغناطيسية: التفاعل بين الجسيمات المشحونة والفوتونات الوسيطة. القوة النووية الضعيفة: التفاعلات بين الفرميونات، بوساطة البوزونات الثقيلة. قوة الجاذبية: التفاعلات بين الجسيمات المادية (الضخمة)، تتوسطها الجاذبية الافتراضية.

    3. إلكترون، مون، تاو؛ إلكترون نيوترينو، نيوترينو ميون، نيوترينو تاو؛ كوارك داون، كوارك غريب، كوارك سفلي؛ كوارك علوي، كوارك سحري، كوارك علوي

    5. طاقة الحفظ والزخم والشحن (مألوفة في الميكانيكا الكلاسيكية والنسبية). بالإضافة إلى الحفاظ على رقم الباريون ورقم الليبتون والغرابة - وهي أرقام لا تتغير قبل وبعد التصادم أو الاضمحلال.

    7. هذا يعني أن النظرية التي تتطلب قانون الحفظ غير مفهومة. غالبًا ما يؤدي فشل النظرية الراسخة إلى فهم أعمق للطبيعة.

    9. 3 كواركات، 2 كواركات (زوج كوارك - أنتيكوارك)

    11. تختلف الباريونات التي لها نفس تركيبة الكوارك في طاقة الراحة لأن هذه الطاقة تعتمد على الطاقة الداخلية للكوارك\(\displaystyle (m=E/c^2)\). لذلك، من المتوقع أن يكون الباريون الذي يحتوي على كوارك بزخم زاوي كبير أكبر من نفس الباريون ذي الزخم الزاوي الأقل.

    13. «الليناك» لتسريع الجسيمات في خط مستقيم، وسينكروترون لتسريع وتخزين الجسيمات المتحركة في حلقة دائرية، وكاشف لقياس نواتج التصادمات

    15. في تجربة الشعاع المتصادم، تذهب طاقة الجسيمات المتصادمة إلى طاقة الكتلة المتبقية للجسيم الجديد. في تجربة الهدف الثابت، يتم فقدان بعض هذه الطاقة بسبب زخم الجسيم الجديد نظرًا لأن مركز كتلة الجسيمات المتصادمة ليس ثابتًا.

    17. النموذج القياسي هو نموذج لتفاعلات الجسيمات الأولية. يحتوي هذا النموذج على نظرية الضعف الكهربائي والديناميكا الكروموديناميكية الكمومية (QCD). يصف التفاعل بين الليبتونات والكواركات من خلال تبادل الفوتونات (الكهرومغناطيسية) والبوزونات (نظرية ضعيفة)، وتفاعل الكوارك من خلال تبادل الغلوونات (QCD). لا يصف هذا النموذج تفاعلات الجاذبية.

    19. لشرح تفاعلات الجسيمات التي تنطوي على القوى النووية القوية والكهرومغناطيسية والضعيفة بطريقة موحدة.

    21. لا، ولكن هذا سيفسر سبب ضخامة بوزونات W و Z (نظرًا لأن هيغز «يضفي» كتلة على هذه الجسيمات)، وبالتالي لماذا تكون القوة الضعيفة قصيرة المدى.

    23. التوسع الكوني هو توسيع الفضاء. يختلف هذا التوسع عن انفجار قنبلة حيث تمر الجسيمات بسرعة عبر الفضاء. يتناسب رسم سرعة ركود المجرة مع مسافتها. يتم قياس هذه السرعة باستخدام التحول الأحمر لضوء النجوم البعيد.

    25. مع المسافة، يكون السطوع المطلق هو نفسه، لكن السطوع الظاهري يتناسب عكسيًا مع مربع المسافة (أو وفقًا لقانون هابل للسرعة الراكدة).

    27. التوسع الملحوظ للكون وطيف إشعاع الخلفية الكونية.

    29. إذا تباطأ الضوء، فإن الوصول إلى الأرض يستغرق وقتًا طويلاً أكثر من المتوقع. نستنتج أن الكائن أقرب بكثير مما هو عليه بالفعل. وبالتالي، بالنسبة لكل سرعة ركود (استنادًا إلى تردد الضوء، الذي نفترض أنه لا يتأثر بالتباطؤ)، تكون المسافة أصغر من القيمة «الحقيقية»، وثابت هابل أكبر من القيمة «الحقيقية»، وعمر الكون أصغر من القيمة «الحقيقية».

    مشاكل

    31. 10.22 ميللي فولت

    33. 0.51 ميللي فولت،\(\displaystyle 2.73×10^{−22}kg⋅m/s, 1.23×10^{20}Hz\)

    35. أ، ب، ج

    37. أ\(\displaystyle \bar{p_e}+\nu e\)؛

    ب.\(\displaystyle \bar{p}π^+\) أو\(\displaystyle \bar{p}π^0\)؛

    ج.\(\displaystyle \bar{Ξ^0}π^0\) أو\(\displaystyle \bar{Λ^0}K^+\)؛

    د.\(\displaystyle μ−\bar{\nu_μ}\) أو\(\displaystyle π^−π^0\)؛

    هـ.\(\displaystyle \bar{p}π^0\) أو\(\displaystyle \bar{n}π^−\)

    39. يتكون البروتون من كواركين صاعدين وكوارك واحد لأسفل. وبالتالي فإن الشحنة الكلية للبروتون هي\(\displaystyle +\frac{2}{3}+\frac{2}{3}+−\frac{1}{3}=+1\).

    41. يتكون\(\displaystyle K^+\) الميزون من كوارك علوي وأنتيكوارك غريب (\(\displaystyle u\bar{s}\)). نظرًا لأن التغييرات في هذا الكوارك والكوارك هي\(\displaystyle 2e/3\)\(\displaystyle e/3\)، على التوالي، فإن صافي تكلفة\(\displaystyle K^+\) الميزون هو e، بما يتفق مع قيمته المعروفة. يمكن أن يتحد جسيمان دورانيان لإنتاج جسيم يبلغ دورانه إما 0 أو 1، بما يتفق مع دوران\(\displaystyle K^+\) الميزون البالغ 0.\(\displaystyle −1/2\) إن الغرابة الصافية للكوارك العلوي والكوارك الغريب\(\displaystyle 0+1=1\) تتفق مع الغرابة المقاسة\(\displaystyle K^+\) للميسون.

    43. أ. اللون؛

    ب. كوارك-أنتيكوارك

    45. \(\displaystyle d→u+e^−+\bar{\nu_e};u→d+e^++\nu_e\)

    47. 695 جنيه مصري

    49. وفقًا للمثال 11.7،

    \(\displaystyle W=2E_{beam}=9.46GeV\)،

    \(\displaystyle M=9.46GeV/c^2\).

    هذه هي كتلة الميسون الأبسيلون (1S) التي لوحظت لأول مرة في مختبر فيرمي عام 1977. يتكون الميزون الأبسيلون من كوارك سفلي وجسيمه المضاد (\(\displaystyle b\bar{b}\)).

    51. 0.135 سم؛ نظرًا لأن هذه المسافة قصيرة جدًا لإنشاء مسار،\(\displaystyle W^−\) يجب استنتاج وجودها من منتجات الاضمحلال الخاصة بها.

    53. 3.33 ميجا فولت

    55. إن الجرافيتون عديم الكتلة، لذا فإن الفوتون يرتبط بقوة ذات نطاق غير محدود.

    57. 67.5 ميللي فولت

    59. أ. 3.9 ميجا فولت؛

    ب. من خلال الحفاظ على الزخم،\(\displaystyle |p_μ|=|p_\nu|=p\). من خلال الحفاظ على الطاقة،\(\displaystyle E_\nu=29.8MeV,E_μ=4.1MeV\)

    61. \(\displaystyle (0.99)(299792km/s)=((70\frac{km}{s})/Mpc)(d),d=4240Mpc\)

    63. \(\displaystyle 1.0×10^4km/s\)بعيدا عنا.

    65. \(\displaystyle 2.26×10^8y\)

    67. أ.\(\displaystyle 1.5×10^{10}y=15\) مليار سنة؛

    ب. أكبر، لأنه إذا كان يتحرك بشكل أبطأ في الماضي، فسوف يستغرق الأمر أقل لقطع المسافة.

    69. \(\displaystyle v=\sqrt{\frac{GM}{r}}\)

    مشاكل إضافية

    71. أ\(\displaystyle \bar{n}\)؛

    ب\(\displaystyle K^+\)؛

    ج\(\displaystyle K^+\).

    د\(\displaystyle π^−\)؛

    ه\(\displaystyle \bar{ν_τ}\)؛

    و.\(\displaystyle e^+\)

    73. \(\displaystyle 14.002 TeV≈14.0TeV\)

    75. \(\displaystyle 964rev/s\)

    77. أ\(\displaystyle H_0=\frac{30 km/s}{1 Mly}=30km/s⋅Mly\)؛

    ب.\(\displaystyle H_0=\frac{15km/s}{1Mly}=15km/s⋅Mly\)

    مشاكل التحدي

    79. أ\(\displaystyle 5×10^{10}\)؛

    ب. قسّم عدد الجسيمات على المنطقة التي تصطدم بها:\(\displaystyle 5×10^4particles/m^2\)

    81. أ. 2.01؛

    ب\(\displaystyle 2.50×10^{−8}s\)؛

    6.50 م

    83. \(\displaystyle \frac{mv^2}{r}=\frac{GMm}{r^2}⇒v=(\frac{GM}{r})^{1/2}=[\frac{(6.67×10^{−11}N⋅m^2/kg^2)(3×10^{41}kg)}{(30,000 ly)(9.46×10^{15}m/ly)}]=2.7×10^5m/s\)

    85. أ. 938.27 ميجا فولت؛

    ب.\(\displaystyle 1.84×10^3\)

    87. أ\(\displaystyle 3.29×10^{18}GeV≈3×10^{18}GeV\)؛

    b. 0.3؛ ينهار توحيد القوى الثلاث بعد فترة وجيزة من فصل الجاذبية عن قوة التوحيد (بالقرب من فترة بلانك الزمنية). ثم يزداد عدم اليقين في الوقت المناسب. ومن ثم تصبح الطاقة المتاحة أقل من طاقة التوحيد المطلوبة.