11.S: فيزياء الجسيمات وعلم الكونيات (ملخص)
- Page ID
- 196483
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
الشروط الرئيسية
الجسيم المضاد | جسيم دون ذري له نفس كتلة وعمر الجسيم المرتبط به، ولكن بشحنة كهربائية معاكسة |
رقم الباريون | يحتوي رقم الباريون\(B=+1\) على قيمة الباريونات ومضادات\(–1\) الباريونات و0 لجميع الجسيمات الأخرى ويتم حفظه في تفاعلات الجسيمات |
الباريونات | مجموعة من ثلاثة كواركات |
الانفجار الكبير | التوسع السريع للفضاء الذي شكل بداية الكون |
بوسون | جسيم ذو دوران متكامل متماثل عند التبادل |
لون | خاصية الجسيمات والتي تلعب نفس الدور في التفاعلات النووية القوية مثل الشحنة الكهربائية في التفاعلات الكهرومغناطيسية |
إشعاع الخلفية الكونية الميكروية (CMBR) | الإشعاع الحراري الناتج عن حدث الانفجار الكبير |
الكوزمولوجيا | دراسة أصل الكون وتطوره ومصيره النهائي |
طاقة مظلمة | شكل من أشكال الطاقة يعتقد أنه مسؤول عن التسارع الملحوظ للكون |
المادة المظلمة | مادة في الكون لا تتفاعل مع الجسيمات الأخرى ولكن يمكن استنتاجها من خلال انحراف ضوء النجوم عن بعد |
قوة ضعيفة كهربية | توحيد القوة الكهرومغناطيسية وتفاعلات القوة النووية الضعيفة |
التماثل التبادلي | خاصية نظام من الجسيمات التي لا يمكن تمييزها والتي تتطلب تبادل أي جسيمين حتى لا يمكن ملاحظتهما |
فرميون | جسيم ذو دوران نصف متكامل يكون مضادًا للتناظر عند التبادل |
مخطط فينمان | مخطط الزمكان الذي يصف كيفية تحرك الجسيمات وتفاعلها |
قوة أساسية | واحدة من أربع قوى تعمل بين أجسام المادة: القوى النووية القوية، والكهرومغناطيسية، والنووية الضعيفة، والقوى الجاذبية |
غلوون | الجسيمات التي تحمل القوة النووية القوية بين الكواركات داخل نواة الذرة |
نظرية الوحدة الكبرى | نظرية التفاعلات الجسيمية التي توحد القوى النووية القوية والكهرومغناطيسية والضعيفة |
هادرون | البطيخ أو الباريتون |
ثابت هابل | ثابت يربط السرعة والمسافة في قانون هابل |
قانون هابل | العلاقة بين سرعة ومسافة النجوم والمجرات |
ليبتون | فرميون يشارك في القوة الكهربائية الضعيفة |
رقم ليبتون | يتم حفظ رقم إلكترون ليبتون\(L_e\) ورقم ميون-ليبتون\(L_μ\) ورقم تاو ليبتون\(L_τ\) بشكل منفصل في كل تفاعل جسيمي |
ميزونات | مجموعة من اثنين من الكواركات |
التركيب النووي | إنشاء عناصر ثقيلة، تحدث أثناء الانفجار الكبير |
معجل الجسيمات | آلة مصممة لتسريع الجسيمات المشحونة؛ عادة ما يتم تحقيق هذا التسارع من خلال المجالات الكهربائية القوية أو المجالات المغناطيسية أو كليهما |
كاشف الجسيمات | كاشف مصمم لقياس نتائج التصادمات الناتجة عن معجل الجسيمات بدقة؛ أجهزة الكشف عن الجسيمات محكمة الغلق ومتعددة الأغراض |
بوزيترون | مضاد الإلكترون |
الديناميكا الكروموديناميكية الكمومية (QCD) | نظرية تصف التفاعلات القوية بين الكواركات |
الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED) | نظرية تصف تفاعل الإلكترونات مع الفوتونات |
كوارك | فرميون يشارك في القوة النووية الضعيفة والقوية |
الانزياح الأحمر | إطالة الطول الموجي للضوء (أو الاحمرار) بسبب التوسع الكوني |
نموذج قياسي | نموذج لتفاعلات الجسيمات التي تحتوي على نظرية الضعف الكهربائي وديناميكا الكروموديناميكا الكمومية (QCD) |
غرابة | خاصية الجسيمات المرتبطة بوجود كوارك غريب |
قوة نووية قوية | قوة جذب قوية نسبيًا تعمل على مسافات قصيرة (حوالي\ (10^ {−15}) m) مسؤولة عن ربط البروتونات والنيوترونات معًا في النوى الذرية |
السنكروترون | مسرع دائري يستخدم الجهد المتناوب وزيادة قوة المجال المغناطيسي لتسريع الجسيمات إلى طاقات أعلى وأعلى |
إشعاع السنكروترون | إشعاع عالي الطاقة ينتج في معجل السنكروترون بالحركة الدائرية لشعاع مشحون |
نظرية كل شيء | نظرية التفاعلات الجسيمية التي توحد جميع القوى الأساسية الأربعة |
جسيم افتراضي | جسيم موجود لفترة قصيرة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظته |
بوزون من الألف إلى الياء | جسيم ذو كتلة كبيرة نسبيًا يحمل القوة النووية الضعيفة بين الليبتونات والكواركات |
قوة نووية ضعيفة | القوة الضعيفة النسبية (حول\(10^{−6}\) قوة القوة النووية القوية) المسؤولة عن تحلل الجسيمات الأولية وتفاعلات النيوترينو |
المعادلات الرئيسية
كمية حركة جسيم مشحون في السيكلوترون | \(p=0.3Br\) |
طاقة مركز الكتلة لآلة الشعاع المتصادم | \(W^2=2[E_1E_2+(p_1c)(p_2c)]+(m_1c^2)^2+(m_2c^2)^2\) |
الوقت التقريبي لتبادل جسيم افتراضي بين جسيمين آخرين | \(Δt=\frac{h}{E}\) |
قانون هابل | \(v=H_0d\) |
مقياس الزمكان الكوني | \(ds^2=c^2dt^2−a(t)^2d\sum^2\) |
ملخص
11.1 مقدمة لفيزياء الجسيمات
- القوى الأساسية الأربعة للطبيعة هي، بترتيب القوة: القوة النووية القوية، والكهرومغناطيسية، والقوة النووية الضعيفة، وقوة الجاذبية. تتفاعل الكواركات عبر القوة القوية، لكن الليبتونات لا تفعل ذلك. يتفاعل كل من الكوارك والليبتونات عبر القوى الكهرومغناطيسية والضعيفة والجذبية.
- يتم تصنيف الجسيمات الأولية إلى فرميونات وبوزون. تحتوي الفرميونات على دوران نصف متكامل وتخضع لمبدأ الاستبعاد. تتمتع البوزونات بدوار متكامل ولا تخضع لهذا المبدأ. البوزونات هي ناقلات القوة لتفاعلات الجسيمات.
- تنتمي الكواركات والليبتونات إلى عائلات الجسيمات المكونة من ثلاثة أعضاء لكل منها. يتشارك أفراد الأسرة في العديد من الممتلكات (الشحن والدوران والمشاركة في القوات) ولكن ليس الكتلة.
- تحتوي جميع الجسيمات على جسيمات مضادة. تشترك الجسيمات في نفس خصائص جزيئات المادة المضادة، ولكنها تحمل شحنة معاكسة.
11.2 قوانين الحفاظ على الجسيمات
- تخضع التفاعلات الأولية للجسيمات لقوانين الحفاظ على الجسيمات، والتي يمكن استخدامها لتحديد تفاعلات الجسيمات والتحلل الممكنة (أو المحظورة).
- يعتبر قانون الحفاظ على رقم الباريون وقانون المحادثة بأرقام الليبتون الثلاثة صالحين لجميع العمليات الفيزيائية. ومع ذلك، فإن الحفاظ على الغرابة صالح فقط للتفاعلات النووية القوية والتفاعلات الكهرومغناطيسية.
11.3 كواركات
- توجد ستة كواركات معروفة: أعلى (ش)، أسفل (د)، سحر (ج)، غريب (غريب)، أعلى (ر)، وأسفل (ب). هذه الجسيمات عبارة عن فرميونات ذات دوران نصف متكامل وشحنة كسرية.
- تتكون الباريونات من ثلاثة كواركات، وتتكون الميسونات من زوج من الكواركات والكواركات العتيقة. بسبب القوة القوية، لا يمكن أن توجد الكواركات في عزلة.
- تم العثور على أدلة الكواركات في تجارب التشتت.
11.4 مسرعات الجسيمات والكاشفات
- تم تطوير العديد من أنواع مسرعات الجسيمات لدراسة الجسيمات وتفاعلاتها. وتشمل هذه المسرعات الخطية والسيكلوترونات والسنكروترونات والحزم المتصادمة.
- تُستخدم آلات الشعاع المتصادم لإنشاء جزيئات ضخمة تتحلل بسرعة إلى جزيئات أخف.
- تُستخدم أجهزة الكشف متعددة الأغراض لتصميم جميع جوانب التصادمات عالية الطاقة. وتشمل هذه أجهزة الكشف لقياس زخم وطاقة الجسيمات المشحونة والفوتونات.
- يتم قياس الجسيمات المشحونة عن طريق ثني هذه الجسيمات في دائرة بواسطة مجال مغناطيسي.
- يتم قياس الجسيمات باستخدام مقاييس السعرات الحرارية التي تمتص الجسيمات.
11.5 النموذج القياسي
- يصف النموذج القياسي التفاعلات بين الجسيمات من خلال القوى النووية القوية والكهرومغناطيسية والقوى النووية الضعيفة.
- يتم تمثيل تفاعلات الجسيمات بمخططات Feynman. يمثل مخطط Feynman التفاعلات بين الجسيمات على الرسم البياني للزمكان.
- تعمل القوى الكهرومغناطيسية على مدى طويل، لكن القوى القوية والضعيفة تعمل على مدى قصير. تنتقل هذه القوى بين الجسيمات عن طريق إرسال واستقبال البوزونات.
- تسعى النظريات الموحدة الكبرى إلى فهم الكون من حيث قوة واحدة فقط.
11.6 الانفجار الكبير
- يتمدد الكون مثل البالون - كل نقطة تنحسر من كل نقطة أخرى.
- تبتعد المجرات البعيدة عنا بسرعة تتناسب مع المسافة. يتم قياس هذا المعدل ليكون حوالي 70 كم/ساعة لكل مليون متر مكعب. وهكذا، كلما ابتعدت المجرات عنا، زادت سرعاتها. يمكن قياس هذه «السرعات الراكدة» باستخدام تحول دوبلر للضوء.
- وفقًا للنماذج الكونية الحالية، بدأ الكون بالانفجار الكبير منذ حوالي 13.7 مليار سنة.
11.7 تطور الكون المبكر
- كان الكون المبكر حارًا وكثيفًا.
- الكون متناسق ويتوسع.
- إشعاع الخلفية الكونية هو دليل على الانفجار العظيم.
- الجزء الأكبر من كتلة وطاقة الكون غير مفهوم جيدًا.