11.A：粒子物理学和宇宙学（答案）

检查你的理解

11.1。 1

11.2。 0

11.3。 0

11.4。 0

11.5。 1 eV

11.6。 轨道的半径被切成两半。

11.7。 碰撞粒子的质量相同，但矢量力矩相反。

11.8。 blueshifted

11.9。 差不多

概念性问题

1。 强大的核力：夸克之间的相互作用，由胶子介导。 电磁力：电荷粒子、介导光子之间的相互作用。 弱核力：费密子之间的相互作用，由重玻色子介导。 引力：物质（大量）粒子之间的相互作用，由假设的引力子介导。

3。 电子、μon、tau；电子中微子、μ子中微子、tau neutrino；向下夸克、奇怪夸克、底部夸克；向上夸克、魅力夸克

5。 守恒能、动量和电荷（熟悉经典和相对论力学）。 此外，还要保护重子数、轻子数和奇异度，这些数字在碰撞或衰变之前和之后都不会改变。

7。 这意味着要求保护法的理论尚未被理解。 历史悠久的理论的失败往往会导致对自然的更深入理解。

9。 3 夸克、2 夸克（一对 quark-antiquark）

11。 夸克成分相同的重子在静止能量上有所不同，因为这种能量取决于夸克的内部能量$\displaystyle (m=E/c^2)$。 因此，含有角动量大的夸克的重子预计将比角动量较小的同一个重子更大。

13。 “linac” 用于将粒子加速成直线；同步加速器，用于加速移动粒子并将其存储在圆环中；以及用于测量碰撞产物的探测器

15。 在碰撞光束实验中，碰撞粒子的能量进入新粒子的剩余质量能量。 在固定目标实验中，由于碰撞粒子的质心不是固定的，因此其中一部分能量会被新粒子的动量所消失。

17。 标准模型是基本粒子相互作用的模型。 该模型包含电弱理论和量子色动力学（QCD）。 它描述了轻子和夸克通过光子（电磁学）和玻色子（弱理论）的交换，以及夸克通过胶子交换（QCD）之间的相互作用。 该模型不描述引力相互作用。

19。 以统一的方式解释涉及强核、电磁和弱核力的粒子相互作用。

21。 不，但它可以解释为什么 W 和 Z 玻色子很大（因为希格斯为这些粒子 “赋予” 质量），因此也解释了为什么弱力是短程的。

23。 宇宙学扩张是空间的扩张。 这种膨胀不同于炸弹的爆炸，在炸弹爆炸中，粒子会迅速穿过太空。 星系衰退速度的图与其距离成正比。 这个速度是使用遥远星光的红移来测量的。

25。 对于距离，绝对亮度是相同的，但视在亮度与其距离的平方（或哈勃定律的衰退速度）成反比。

27。 观测到的宇宙膨胀和宇宙背景辐射光谱。

29。 如果光线变慢，到达地球所需的时间比预期的要长。 我们得出结论，物体比实际距离要近得多。 因此，对于每一次衰退速度（基于光的频率，我们假设光频率不受减速的干扰），距离小于 “真实” 值，哈勃常数大于 “真实” 值，宇宙的年龄小于 “真实” 值。

问题

31。 1.022 MeV

33。 0.511 meV，$\displaystyle 2.73×10^{−22}kg⋅m/s, 1.23×10^{20}Hz$

35。 a、b 和 c

37。 a.$\displaystyle \bar{p_e}+\nu e$;

b.$\displaystyle \bar{p}π^+$ 或$\displaystyle \bar{p}π^0$；

c.$\displaystyle \bar{Ξ^0}π^0$ 或$\displaystyle \bar{Λ^0}K^+$；

d.$\displaystyle μ−\bar{\nu_μ}$ 或$\displaystyle π^−π^0$；

e.$\displaystyle \bar{p}π^0$ 或$\displaystyle \bar{n}π^−$

39。 质子由两个向上夸克和一个向下夸克组成。 因此，质子的总电荷为$\displaystyle +\frac{2}{3}+\frac{2}{3}+−\frac{1}{3}=+1$。

41。 $\displaystyle K^+$介子由向上夸克和奇怪的反夸克 ($\displaystyle u\bar{s}$) 组成。 由于这种夸克和反夸克的变化分别为$\displaystyle 2e/3$和$\displaystyle e/3$，因此$\displaystyle K^+$介子的净电荷为 e，与其已知值一致。 两个自旋$\displaystyle −1/2$粒子可以组合产生自旋为 0 或 1 的粒子，这与$\displaystyle K^+$介子的自旋为 0 一致。 up quark 和奇怪的 antiquark 的净陌生之处与$\displaystyle K^+$介子测得的陌生感一致。$\displaystyle 0+1=1$

43。 a. 颜色；

b. quark-antiquark

45。 $\displaystyle d→u+e^−+\bar{\nu_e};u→d+e^++\nu_e$

47。 965 GeV

49。 根据示例 11.7

$\displaystyle W=2E_{beam}=9.46GeV$，

$\displaystyle M=9.46GeV/c^2$。

这是 1977 年在费米实验室首次观测到的 upsilon（1S）介子的质量。 upsilon 介子由底部夸克及其反粒子 ($\displaystyle b\bar{b}$) 组成。

51。 0.135 fm; 由于这个距离太短而无法形成轨道，因此$\displaystyle W^−$必须从其衰减产物中推断出它的存在。

53。 3.33 MV

55。 引力子是无质量的，所以就像光子与无限范围的力相关联一样。

57。 67.5 MeV

59。 a. 33.9 兆电子伏特；

b. 通过保持动量，$\displaystyle |p_μ|=|p_\nu|=p$。 通过节约能源，$\displaystyle E_\nu=29.8MeV,E_μ=4.1MeV$

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

63。 $\displaystyle 1.0×10^4km/s$离我们远点。

65。 $\displaystyle 2.26×10^8y$

67。 a.$\displaystyle 1.5×10^{10}y=15$ 十亿年；

b. 更大，因为如果它过去移动得更慢，那么长距离行驶所需的时间就会更少。

69。 $\displaystyle v=\sqrt{\frac{GM}{r}}$

其他问题

71。 a.$\displaystyle \bar{n}$;

b.$\displaystyle K^+$;

c.$\displaystyle K^+$;

d。$\displaystyle π^−$;

e。$\displaystyle \bar{ν_τ}$;

f。$\displaystyle e^+$

73。 $\displaystyle 14.002 TeV≈14.0TeV$

75。 $\displaystyle 964rev/s$

77。 a.$\displaystyle H_0=\frac{30 km/s}{1 Mly}=30km/s⋅Mly$;

b。$\displaystyle H_0=\frac{15km/s}{1Mly}=15km/s⋅Mly$

挑战问题

79。 a.$\displaystyle 5×10^{10}$;

b. 将粒子数量除以它们击中的面积：$\displaystyle 5×10^4particles/m^2$

81。 a. 2.01；

b.$\displaystyle 2.50×10^{−8}s$;

c. 6.50 m

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。 a. 938.27 兆电子伏；

b。$\displaystyle 1.84×10^3$

87。 a.$\displaystyle 3.29×10^{18}GeV≈3×10^{18}GeV$;

b. 0.3；重力与统一力分离后不久（接近普朗克时间间隔），三种力量的统一就崩溃了。 随后，时间的不确定性变得更大。 因此，可用的能量少于所需的统一能量。