11.S：粒子物理学和宇宙学（摘要）

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Nov 1, 2022
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- 11.A：粒子物理学和宇宙学（答案）
- 11.E：粒子物理学和宇宙学（练习）

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关键条款

反粒子	亚原子粒子的质量和寿命与其关联粒子相同，但电荷相反
重子数	重子数的值 $B=+1$ 是重子、 $–1$ 反重子的值，所有其他粒子的值为 0，在粒子相互作用中是保守的
重子们	三夸克一组
宇宙大爆炸	空间的快速扩张标志着宇宙的开始
玻色子	具有积分自旋且在交换时对称的粒子
颜色	粒子的特性，它在强核相互作用中的作用与电荷在电磁相互作用中的作用相同
宇宙微波背景辐射 (CMBR)	宇宙大爆炸事件产生的热辐射
宇宙论	研究宇宙的起源、演变和终极命运
暗能量	一种能量形式，据信是造成观测到的宇宙加速的原因
暗物质	宇宙中不与其他粒子相互作用但可以通过距离星光偏转来推断的物质
电弱力	统一电磁力和弱核力相互作用
交换对称性	无法区分的粒子系统的特性，该系统需要交换任何两个粒子才能被观察到
费密子	具有半积分自旋的粒子，在交换时是反对称的
费曼图	描述粒子如何移动和相互作用的时空图
基本力量	作用于物质体之间的四种力之一：强核、电磁、弱核和引力
胶子	在原子核内的夸克之间携带强大核力的粒子
大统一理论	统一强核、电磁和弱核力的粒子相互作用理论
强子	介子或重子
哈勃常数	哈勃定律中关联速度和距离的常数
哈勃定律	恒星和星系的速度和距离之间的关系
lepton	参与 Electroweak 力的费密子
轻子数	在每次粒子相互作用中 $L_e$ ，电子-轻子数 $L_μ$ 、μ-lepton 数和 tau-lepton 数 $L_τ$ 是分别守恒的
介子	一组两个夸克
核合成	制造重元素，发生在宇宙大爆炸期间
粒子加速器	专为加速带电粒子而设计的机器；这种加速通常是在强电场、磁场或两者兼而有之的情况下实现的
粒子探测器	探测器设计用于精确测量粒子加速器产生的碰撞结果；粒子探测器是密封的多用途的
正电子	反电子
量子色动力学 (QCD)	描述夸克之间强烈相互作用的理论
量子电动力学 (QED)	描述电子与光子相互作用的理论
夸克	参与电弱和强核力量的费密子
redshift	由于宇宙学膨胀，光的波长延长（或变红）
标准型号	包含电弱理论和量子色动力学 (QCD) 的粒子相互作用模型
陌生感	与奇怪夸克的存在相关的粒子特性
强大的核力量	相对较强的吸引力，在短距离内起作用（大约\ (10^ {−15}) m），负责在原子核中将质子和中子结合在一起
同步加速器	圆形加速器，它使用交流电压和增加的磁场强度将粒子加速到越来越高的能量
同步加速器辐射	同步加速器加速器中由带电光束的圆周运动产生的高能辐射
万物理论	一种统一所有四种基本力的粒子相互作用理论
虚拟粒子	存在时间太短而无法观测的粒子
W 和 Z 玻色子	质量相对较大的粒子，在轻子和夸克之间携带微弱的核力
微弱的核力量	导致基本粒子衰变和中微子相互作用的相对较弱的力（大约 $10^{−6}$ 相当于强核力的强度）

关键方程

回旋加速器中带电粒子的动量	$p=0.3Br$
碰撞梁机的质心能量	$W^2=2[E_1E_2+(p_1c)(p_2c)]+(m_1c^2)^2+(m_2c^2)^2$
在另外两个粒子之间交换虚拟粒子的大概时间	$Δt=\frac{h}{E}$
哈勃定律	$v=H_0d$
宇宙学时空指标	$ds^2=c^2dt^2−a(t)^2d\sum^2$

摘要

11.1 粒子物理学概论

按强度顺序排列自然的四种基本力量是：强核、电磁、弱核和引力。夸克通过强力相互作用，但轻子不能。夸克和轻子都通过电磁、微弱和引力相互作用。
基本粒子分为费密子和玻色子。费密子具有半积分自旋并遵守排除原则。玻色子有积分旋转，不遵守这个原理。玻色子是粒子相互作用的力载体。
夸克和轻子属于粒子家族，各由三个成员组成。家庭成员共享许多属性（冲锋、旋转、参与力量），但不共享质量。
所有粒子都有反粒子。粒子与其反物质粒子具有相同的特性，但携带的电荷相反。

11.2 粒子保护定律

基本粒子相互作用受粒子保护定律的约束，该定律可用于确定哪些粒子反应和衰变是可能的（或禁止）。
重子数保护定律和三轻子数对话定律对所有物理过程都有效。但是，保持陌生感仅对强烈的核相互作用和电磁相互作用有效。

11.3 夸克斯

存在六个已知夸克：向上（u）、向下（d）、charm（c）、strang e（s）、top（t）和底部（b）。这些粒子是具有半积分自旋和分数电荷的费密子。
重子由三个夸克组成，介子由夸克-反夸克对组成。由于力量强大，夸克不可能孤立存在。
在散射实验中发现了夸克的证据。

11.4 粒子加速器和探测器

已经开发了许多类型的粒子加速器来研究粒子及其相互作用。其中包括线性加速器、回旋加速器、同步加速器和碰撞光束。
碰撞光束机用于制造大量粒子，这些粒子会迅速分解成更轻的粒子。
多用途探测器用于设计高能碰撞的各个方面。其中包括用于测量电荷粒子和光子的动量和能量的探测器。
带电粒子是通过磁场将这些粒子弯曲成一圈来测量的。
使用吸收颗粒的量热计测量颗粒。

11.5 标准模型

标准模型描述了粒子通过强核、电磁和弱核力量之间的相互作用。
粒子相互作用由费曼图表表示。费曼图表示时空图上粒子之间的相互作用。
电磁力在远距离起作用，但强力和弱力在短距离内起作用。这些力通过发送和接收玻色子在粒子之间传输。
宏伟的统一理论寻求仅从一种力量的角度来理解宇宙。

11.6 宇宙大爆炸

宇宙像气球一样膨胀——每个点都在从每一个点消退。
遥远的星系以与其距离成正比的速度离开我们。该速率经测得约为 70 km/s/mpc。因此，星系离我们越远，它们的速度就越大。这些 “衰退速度” 可以使用光的多普勒偏移来测量。
根据目前的宇宙学模型，宇宙始于大约137亿年前的宇宙大爆炸。

11.7 早期宇宙的演变

早期的宇宙又热又密集。
宇宙是各向同性的，正在膨胀。
宇宙背景辐射是宇宙大爆炸的证据。
宇宙的很大一部分质量和能量尚不为人所知。