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11.A:粒子物理学和宇宙学(答案)

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    201967
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    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.\(\displaystyle \bar{p}π^+\)\(\displaystyle \bar{p}π^0\)

    c.\(\displaystyle \bar{Ξ^0}π^0\)\(\displaystyle \bar{Λ^0}K^+\)

    d.\(\displaystyle μ−\bar{\nu_μ}\)\(\displaystyle π^−π^0\)

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

    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\(\displaystyle 2e/3\)\(\displaystyle e/3\),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。