Skip to main content
Global

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.