11.A : Physique des particules et cosmologie (réponses)
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11.1. 1
11.2. 0
11.3. 0
11.4. 0
11,5. 1 éV
11.6. Le rayon de la piste est coupé en deux.
11.7. Les particules qui entrent en collision ont une masse identique mais des moments vectoriels opposés.
11.8. bleu décalé
11,9. à peu près le même
Questions conceptuelles
1. Force nucléaire forte : interaction entre les quarks, médiée par les gluons. Force électromagnétique : interaction entre les particules chargées et les photons médiés. Force nucléaire faible : interactions entre les fermions, médiées par des bosons lourds. Force gravitationnelle : interactions entre des particules matérielles (massives), médiées par des gravitons hypothétiques.
3. électron, muon, tau ; neutrino électronique, neutrino muon, neutrino tau ; quark down, quark étrange, quark inférieur ; quark up, quark charme, quark top
5. Conservation de l'énergie, de la quantité de mouvement et de la charge (familières à la mécanique classique et relativiste). En outre, conservation du nombre de baryons, du nombre de leptons et de l'étrangeté, des nombres qui ne changent pas avant et après une collision ou une dégradation.
7. Cela signifie que la théorie qui exige la loi de conservation n'est pas comprise. L'échec d'une théorie établie de longue date conduit souvent à une meilleure compréhension de la nature.
9. 3 quarks, 2 quarks (une paire quark-antiquark)
11. Les baryons ayant la même composition en quarks diffèrent en termes d'énergie de repos car cette énergie dépend de l'énergie interne des quarks\(\displaystyle (m=E/c^2)\). Ainsi, un baryon contenant un quark avec un moment cinétique élevé devrait être plus massif que le même baryon avec un moment cinétique inférieur.
13. le « linac » pour accélérer les particules en ligne droite, un synchrotron pour accélérer et stocker les particules en mouvement dans un anneau circulaire et un détecteur pour mesurer les produits des collisions
15. Lors d'une expérience avec un faisceau entrant en collision, l'énergie des particules entrant en collision entre dans l'énergie massique restante de la nouvelle particule. Dans une expérience à cible fixe, une partie de cette énergie est perdue sous l'impulsion de la nouvelle particule, car le centre de masse des particules entrant en collision n'est pas fixe.
17. Le modèle standard est un modèle d'interactions entre particules élémentaires. Ce modèle contient la théorie de l'électrofaiblesse et la chromodynamique quantique (QCD). Il décrit l'interaction des leptons et des quarks par l'échange de photons (électromagnétisme) et de bosons (théorie des faibles), ainsi que l'interaction des quarks par échange de gluons (QCD). Ce modèle ne décrit pas les interactions gravitationnelles.
19. Expliquer de manière unifiée les interactions entre les particules qui impliquent les forces nucléaires, électromagnétiques et nucléaires faibles fortes.
21. Non, mais cela expliquera pourquoi les bosons W et Z sont massifs (puisque le Higgs « donne » de la masse à ces particules), et donc pourquoi la force faible est de courte portée.
23. L'expansion cosmologique est une expansion de l'espace. Cette expansion est différente de l'explosion d'une bombe où des particules traversent rapidement l'espace. Un diagramme de la vitesse de récession d'une galaxie est proportionnel à sa distance. Cette vitesse est mesurée à l'aide du décalage vers le rouge de la lumière lointaine des étoiles.
25. Avec la distance, la luminosité absolue est la même, mais la luminosité apparente est inversement proportionnelle au carré de sa distance (ou selon la vitesse récessionnelle de la loi de Hubble).
27. L'expansion observée de l'univers et du spectre de rayonnement de fond cosmique.
29. Si la lumière ralentit, il faut plus de temps que prévu pour atteindre la Terre. Nous concluons que l'objet est beaucoup plus proche qu'il ne l'est réellement. Ainsi, pour chaque vitesse de récession (basée sur la fréquence de la lumière, dont nous supposons qu'elle n'est pas perturbée par le ralentissement), la distance est inférieure à la valeur « vraie », la constante de Hubble est supérieure à la valeur « vraie » et l'âge de l'univers est inférieur à la valeur « vraie ».
Problèmes
31. 1,022 MeV
33. 0,511 MeV,\(\displaystyle 2.73×10^{−22}kg⋅m/s, 1.23×10^{20}Hz\)
35. a, b et c
37. un\(\displaystyle \bar{p_e}+\nu e\) ;.
b.\(\displaystyle \bar{p}π^+\) ou\(\displaystyle \bar{p}π^0\) ;
c.\(\displaystyle \bar{Ξ^0}π^0\) ou\(\displaystyle \bar{Λ^0}K^+\) ;
d.\(\displaystyle μ−\bar{\nu_μ}\) ou\(\displaystyle π^−π^0\) ;
e.\(\displaystyle \bar{p}π^0\) ou\(\displaystyle \bar{n}π^−\)
39. Un proton est composé de deux quarks up et d'un quark down. La charge totale d'un proton est donc de\(\displaystyle +\frac{2}{3}+\frac{2}{3}+−\frac{1}{3}=+1\).
41. Le\(\displaystyle K^+\) méson est composé d'un quark up et d'un étrange antiquark (\(\displaystyle u\bar{s}\)). Puisque les changements de ce quark et de cet antiquark sont respectivement\(\displaystyle 2e/3\) et\(\displaystyle e/3\), respectivement, la charge nette du\(\displaystyle K^+\) méson est e, en accord avec sa valeur connue. Deux\(\displaystyle −1/2\) particules de spin peuvent se combiner pour produire une particule dont le spin est égal à 0 ou à 1, ce qui correspond au spin du\(\displaystyle K^+\) méson de 0. L'étrangeté nette du quark up et de l'étrange antiquark est\(\displaystyle 0+1=1\) en accord avec l'étrangeté mesurée du\(\displaystyle K^+\) méson.
43. a. couleur ;
b. quark-antiquark
45. \(\displaystyle d→u+e^−+\bar{\nu_e};u→d+e^++\nu_e\)
47. 965 GeV
49. Selon l'exemple 11.7,
\(\displaystyle W=2E_{beam}=9.46GeV\),
\(\displaystyle M=9.46GeV/c^2\).
Il s'agit de la masse du méson upsilon (1S) observé pour la première fois au laboratoire Fermi en 1977. Le méson upsilon est constitué d'un quark inférieur et de son antiparticule (\(\displaystyle b\bar{b}\)).
51. 0,135 fm ; Cette distance étant trop courte pour faire une trace, la présence du\(\displaystyle W^−\) doit être déduite de ses produits de désintégration.
53. 3,3 Mo
55. Le graviton est sans masse, de même que le photon, il est associé à une force d'une portée infinie.
57. 67,5 MeV
59. a. 33,9 MeV ;
b. En préservant l'élan,\(\displaystyle |p_μ|=|p_\nu|=p\). En économisant de l'énergie,\(\displaystyle E_\nu=29.8MeV,E_μ=4.1MeV\)
61. \(\displaystyle (0.99)(299792km/s)=((70\frac{km}{s})/Mpc)(d),d=4240Mpc\)
63. \(\displaystyle 1.0×10^4km/s\)loin de nous.
65. \(\displaystyle 2.26×10^8y\)
67. a. un\(\displaystyle 1.5×10^{10}y=15\) milliard d'années ;
b. Plus important, car s'il se déplaçait plus lentement dans le passé, il en faudrait moins pour parcourir la distance.
69. \(\displaystyle v=\sqrt{\frac{GM}{r}}\)
Problèmes supplémentaires
71. un\(\displaystyle \bar{n}\) ;.
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. un\(\displaystyle H_0=\frac{30 km/s}{1 Mly}=30km/s⋅Mly\) ;.
b.\(\displaystyle H_0=\frac{15km/s}{1Mly}=15km/s⋅Mly\)
Problèmes liés au défi
79. un\(\displaystyle 5×10^{10}\) ;.
b. divisez le nombre de particules par la zone qu'elles touchent :\(\displaystyle 5×10^4particles/m^2\)
81. a. 2.01 ;
b.\(\displaystyle 2.50×10^{−8}s\) ;
environ 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 MeV ;
b.\(\displaystyle 1.84×10^3\)
87. un\(\displaystyle 3.29×10^{18}GeV≈3×10^{18}GeV\) ;.
b. 0.3 ; L'unification des trois forces s'arrête peu de temps après la séparation de la gravité de la force d'unification (près de l'intervalle de temps de Planck). L'incertitude quant au temps s'accroît alors. L'énergie disponible devient donc inférieure à l'énergie d'unification nécessaire.