第23章素粒子物理Particle Physics原書 p.795–832
Chapter Review章のまとめ
Concept Items概念の問題
23.1 The Four Fundamental Forces 1What forces does the inverse square law describe?
英語のヒント
23.1 四つの基本の力 1逆二乗の法則が述べるのはどの力か。
a. the electromagnetic and weak nuclear forceb. the electromagnetic force and strong nuclear forcec. the electromagnetic force and gravityd. the strong nuclear force and gravity
英語のヒント
a. 電磁気力と弱い核力b. 電磁気力と強い核力c. 電磁気力と重力d. 強い核力と重力
2Do the carrier particles explain the loss of mass in nuclear decay?
英語のヒント
2運び手の粒子は、核の崩壊での質量の減りを説明するか。
a. nob. yes
a. しないb. する
3What happens to the rate of voltage oscillation within a synchrotron each time the particle completes a loop?
英語のヒント
3シンクロトロンの中で、粒子が一周するたびに電圧の振動の速さはどうなるか。
a. The rate of voltage oscillation increases as the particle travels faster and faster on each loop.b. The rate of voltage oscillation decreases as the particle travels faster and faster on each loop.
英語のヒント
a. 粒子が一周ごとに速く進むので、電圧の振動は速くなる。b. 粒子が一周ごとに速く進むので、電圧の振動は遅くなる。
c. The rate of voltage oscillation remains the same each time the particle completes a loop.d. The rate of voltage oscillation first increases and then remains constant each time the particle completes a loop.
英語のヒント
c. 粒子が一周するたびに、電圧の振動の速さは変わらない。d. 粒子が一周するたびに、電圧の振動の速さはまず速くなり、それから一定になる。
4Which of the four forces is responsible for ionic bonding?
英語のヒント
4イオン結合の原因になるのは四つの力のうちどれか。
a. electromagnetic forceb. gravity
英語のヒント
a. 電磁気力b. 重力
c. strong forced. weak nuclear force
英語のヒント
c. 強い力d. 弱い核力
5What type of particle accelerator uses oscillating electric fields to accelerate particles around a fixed radius track?
英語のヒント
5振動する電場を使って、半径の決まった軌道に沿って粒子を加速するのはどの型の粒子加速器か。
a. LINACb. synchrotron
a. LINACb. シンクロトロン
c. SLACd. Van de Graaff accelerator
c. SLACd. ヴァン・デ・グラーフ加速器
23.2 Quarks 6How does the charge of an individual quark determine hadron structure?
英語のヒント
23.2 クォーク 6一つ一つのクォークの電荷は、ハドロンの構造をどう決めるか。
a. Since the hadron must have an integral value, the individual quarks must be combined such that the average of their charges results in the value of a quark.b. Since the hadron must have an integral value, the individual atoms must be combined such that the sum of their charges is less than zero.c. The individual quarks must be combined such that the product of their charges is equal to the total charge of the hadron structure.d. Since the hadron must have an integral value of charge, the individual quarks must be combined such that the sum of their charges results in an integral value.
英語のヒント
a. ハドロンは整数の値を持たなければならないので、電荷の平均がクォークの値になるように一つ一つのクォークを合わせなければならない。b. ハドロンは整数の値を持たなければならないので、電荷の和が0より小さくなるように一つ一つの原子を合わせなければならない。c. 電荷の積がハドロンの構造の全電荷に等しくなるように、一つ一つのクォークを合わせなければならない。d. ハドロンは整数の電荷の値を持たなければならないので、電荷の和が整数の値になるように一つ一つのクォークを合わせなければならない。
7Why do leptons not feel the strong nuclear force?
英語のヒント
7レプトンが強い核力を感じないのはなぜか。
a. Gluons are the carriers of the strong nuclear force that interacts between quarks through color interactions, but leptons are constructed of quarks that do not have gluons.b. Gluons are the carriers of the strong nuclear force that interacts between quarks through mass interactions, but leptons are not constructed of quarks and are not massive.c. Gluons are the carriers of the strong nuclear force that interacts between quarks through mass interactions, but leptons are constructed of the quarks that are not massive.d. Gluons are the carriers of the strong nuclear force that interacts between quarks through color interactions, but leptons are not constructed of quarks, nor do they have color constituents.
英語のヒント
a. グルーオンは、色の相互作用によってクォークのあいだにはたらく強い核力の運び手だが、レプトンはグルーオンを持たないクォークからできているから。b. グルーオンは、質量の相互作用によってクォークのあいだにはたらく強い核力の運び手だが、レプトンはクォークからできておらず、質量も持たないから。c. グルーオンは、質量の相互作用によってクォークのあいだにはたらく強い核力の運び手だが、レプトンは質量のないクォークからできているから。d. グルーオンは、色の相互作用によってクォークのあいだにはたらく強い核力の運び手だが、レプトンはクォークからできておらず、色の成分も持たないから。
8What property commonly distinguishes antimatter from its matter analogue?
英語のヒント
8反物質を、それにあたる物質と区別するのにふつう使われる性質は何か。
a. massb. chargec. energyd. speed
a. 質量b. 電荷c. エネルギーd. 速さ
9Can the Standard Model change as new information is gathered?
英語のヒント
9新しい情報が集まれば、標準模型は変わりうるか。
a. yesb. no
a. 変わりうるb. 変わらない
10What is the relationship between the Higgs field and the Higgs boson?
英語のヒント
10ヒッグス場とヒッグス粒子の関係は何か。
a. The Higgs boson is the carrier that transfers force for the Higgs field.b. The Higgs field is the time duration over which the Higgs particles transfer force to the other particles.c. The Higgs field is the magnitude of momentum transferred by the Higgs particles to the other particles.d. The Higgs field is the magnitude of torque transfers by the Higgs particles on the other particles.
英語のヒント
a. ヒッグス粒子は、ヒッグス場の力を移す運び手である。b. ヒッグス場は、ヒッグスの粒子が他の粒子へ力を移すあいだの時間の長さである。c. ヒッグス場は、ヒッグスの粒子が他の粒子へ移す運動量の大きさである。d. ヒッグス場は、ヒッグスの粒子が他の粒子に及ぼすトルクの大きさである。
11What were the original three flavors of quarks discovered?
英語のヒント
11最初に見つかった三つのクォークのフレーバーは何か。
a. up, down, and charmb. up, down, and bottomc. up, down, and stranged. up, down, and top
a. アップ、ダウン、チャームb. アップ、ダウン、ボトムc. アップ、ダウン、ストレンジd. アップ、ダウン、トップ
12Protons are more massive than electrons. The three quarks in the proton account for only a small amount of this mass difference. What accounts for the remaining excess mass in protons compared to electrons?
英語のヒント
12陽子は電子より重い。陽子の中の三つのクォークは、この質量の差のごく一部しか占めない。電子に比べた陽子の残りの余分な質量は何によるのか。
a. The highly energetic gluons connecting the quarks account for the remaining excess mass in protons compared to electrons.b. The highly energetic photons connecting the quarks account for the remaining excess mass in protons compared to electrons.c. The antiparallel orientation of the quarks present in a proton accounts for the remaining excess mass in protons compared to electrons.d. The parallel orientation of the quarks present in a proton accounts for the remaining excess mass in protons compared to electrons.
英語のヒント
a. クォークをつなぐエネルギーの高いグルーオンが、電子に比べた陽子の残りの余分な質量を占める。b. クォークをつなぐエネルギーの高い光子が、電子に比べた陽子の残りの余分な質量を占める。c. 陽子の中のクォークの反平行の向きが、電子に比べた陽子の残りの余分な質量を占める。d. 陽子の中のクォークの平行の向きが、電子に比べた陽子の残りの余分な質量を占める。
23.3 The Unification of Forces 13Why is the unification of fundamental forces important?
英語のヒント
23.3 力の統一 13基本の力の統一が重要なのはなぜか。
a. The unification of forces will help us understand fundamental structures of the universe.b. The unification of forces will help in the proof of the graviton.c. The unification of forces will help in achieving a speed greater than the speed of light.
英語のヒント
a. 力の統一は、宇宙の根本の構造を理解する助けになるから。b. 力の統一は、重力子の証明の助けになるから。c. 力の統一は、光速より速い速さを実現する助けになるから。
d. The unification of forces will help in studying antimatter particles.
英語のヒント
d. 力の統一は、反物質の粒子の研究の助けになるから。
14Why are scientists unable to model the conditions of the universe at time periods shortly after the Big Bang?
英語のヒント
14ビッグバンの直後の時期の宇宙の条件を、科学者が再現できないのはなぜか。
a. The amount of energy necessary to replicate the Planck Epoch is too high.b. The amount of energy necessary to replicate the Planck Epoch is too low.c. The volume of setup necessary to replicate the Planck Epoch is too high.d. The volume of setup necessary to replicate the Planck Epoch is too low.
英語のヒント
a. プランクの時期を再現するのに要るエネルギーが大きすぎるから。b. プランクの時期を再現するのに要るエネルギーが小さすぎるから。c. プランクの時期を再現するのに要る装置の体積が大きすぎるから。d. プランクの時期を再現するのに要る装置の体積が小さすぎるから。
15What role does proton decay have in the search for GUTs?
英語のヒント
15GUTの探索で陽子の崩壊はどんな役割を果たすか。
a. Proton decay is a premise of a number of GUTs.b. Proton decay negates the validity of a number of GUTs.
英語のヒント
a. 陽子の崩壊は、いくつものGUTの前提である。b. 陽子の崩壊は、いくつものGUTの正しさを否定する。
16What is the name for the theory of unification of all four fundamental forces?
英語のヒント
16四つの基本の力すべての統一の理論を何と呼ぶか。
a. the theory of everythingb. the theory of energy-to-mass conversionc. the theory of relativityd. the theory of the Big Bang
英語のヒント
a. 万物の理論b. エネルギーと質量の変換の理論c. 相対論d. ビッグバンの理論
17Is it easier for scientists to find evidence for the Grand Unified Theory or the Theory of Everything? Explain.
英語のヒント
17大統一理論と万物の理論では、科学者が証拠を見つけやすいのはどちらか。説明せよ。
a. Theory of Everything, because it requires of energyb. Theory of Everything, because it requires of energyc. Grand Unified Theory, because it requires of energyd. Grand Unified Theory, because it requires of energy
英語のヒント
a. 万物の理論。のエネルギーが要るからb. 万物の理論。のエネルギーが要るからc. 大統一理論。のエネルギーが要るからd. 大統一理論。のエネルギーが要るから
Critical Thinking Items批判的に考える問題
23.1 The Four Fundamental Forces 18The gravitational force is considered a very weak force. Yet, it is strong enough to hold Earth in orbit around the Sun. Explain this apparent disparity.
英語のヒント
23.1 四つの基本の力 18重力は非常に弱い力とされる。それでも地球を太陽のまわりの軌道に留めておくほど強い。この一見した食い違いを説明せよ。
a. At the level of the Earth-to-Sun distance, gravity is the strongest acting force because neither the strong nor the weak nuclear force exists at this distance.b. At the level of the Earth-to-Sun distance, gravity is the strongest acting force because both the strong and the weak nuclear force is minimal at this distance.
英語のヒント
a. 地球と太陽の距離の水準では、強い核力も弱い核力もこの距離では存在しないので、重力が最も強くはたらく力だから。b. 地球と太陽の距離の水準では、強い核力も弱い核力もこの距離ではごくわずかなので、重力が最も強くはたらく力だから。
19True or FalseGiven that their carrier particles are massless, some may argue that the electromagnetic and gravitational forces should maintain the same value at all distances from their source. However, both forces decrease with distance at a rate of
英語のヒント
19正誤問題——運び手の粒子に質量がないのだから、電磁気力と重力は源からどの距離でも同じ値を保つはずだと主張する人もいるかもしれない。しかし、どちらの力も距離とともにの割合で減る。
a. falseb. true
a. 誤b. 正
20Why is a stationary target considered inefficient in a particle accelerator?
英語のヒント
20粒子加速器で、止まった的が効率が悪いとされるのはなぜか。
a. The stationary target recoils upon particle strike, thereby transferring much of the particle’s energy into its motion. As a result, a greater amount of energy goes into breaking the particle into its constituent components.b. The stationary target contains zero kinetic energy, so it requires more energy to break the particle into its constituent components.c. The stationary target contains zero potential energy, so it requires more energy to break the particle into its constituent components.d. The stationary target recoils upon particle strike, transferring much of the particle’s energy into its motion. As a result, a lesser amount of energy goes into breaking the particle into its constituent components.
英語のヒント
英語のヒント
a. 止まった的は粒子があたると跳ね返り、粒子のエネルギーの多くをその運動へ移してしまう。その結果、粒子をその構成要素へ分けるのに使われるエネルギーが多くなるから。b. 止まった的は運動エネルギーが0なので、粒子をその構成要素へ分けるのにより多くのエネルギーが要るから。c. 止まった的は位置エネルギーが0なので、粒子をその構成要素へ分けるのにより多くのエネルギーが要るから。d. 止まった的は粒子があたると跳ね返り、粒子のエネルギーの多くをその運動へ移す。その結果、粒子をその構成要素へ分けるのに使われるエネルギーが少なくなるから。
21Compare the total strong nuclear force in a lithium atom to the total strong nuclear force in a lithium ion .a. The total strong nuclear force in a lithium atom is thrice the total strong nuclear force in a lithium ion.b. The total strong nuclear force in a lithium atom is twice the total strong nuclear force in a lithium ion.c. The total strong nuclear force in a lithium atom is the same as the total strong nuclear force in a lithium ion.d. The total strong nuclear force in a lithium atom is half the total strong nuclear force in a lithium ion.
英語のヒント
英語のヒント
21リチウム原子の中の強い核力の合計を、リチウムイオンの中の強い核力の合計と比べよ。a. リチウム原子の中の強い核力の合計は、リチウムイオンの中の合計の3倍である。b. リチウム原子の中の強い核力の合計は、リチウムイオンの中の合計の2倍である。c. リチウム原子の中の強い核力の合計は、リチウムイオンの中の合計と同じである。d. リチウム原子の中の強い核力の合計は、リチウムイオンの中の合計の半分である。
23.2 Quarks 22Explain why it is not possible to find a particle composed of just two quarks.
英語のヒント
23.2 クォーク 22クォーク二つだけからできた粒子が見つからない理由を説明せよ。
a. A particle composed of two quarks will have an integral charge and a white color. Hence, it cannot exist.b. A particle composed of two quarks will have an integral charge and a color that is not white. Hence, it cannot exist.c. A particle composed of two quarks will have a fractional charge and a white color. Hence, it cannot exist.d. A particle composed of two quarks will have a fractional charge and a color that is not white. Hence, it cannot exist.
英語のヒント
a. クォーク二つからできた粒子は整数の電荷と白の色を持つ。したがって存在しえない。b. クォーク二つからできた粒子は整数の電荷と、白でない色を持つ。したがって存在しえない。c. クォーク二つからできた粒子は分数の電荷と白の色を持つ。したがって存在しえない。d. クォーク二つからできた粒子は分数の電荷と、白でない色を持つ。したがって存在しえない。
23Why are mesons considered unstable?a. Mesons are composites of two antiparticles that quickly annihilate each other.b. Mesons are composites of two particles that quickly annihilate each other.c. Mesons are composites of a particle and antiparticle that quickly annihilate each other.d. Mesons are composites of two particles and one antiparticle that quickly annihilate each other.
英語のヒント
23中間子が安定でないとされるのはなぜか。a. 中間子は、すぐ互いに対消滅する二つの反粒子の合わさったものだから。b. 中間子は、すぐ互いに対消滅する二つの粒子の合わさったものだから。c. 中間子は、すぐ互いに対消滅する粒子と反粒子の合わさったものだから。d. 中間子は、すぐ互いに対消滅する二つの粒子と一つの反粒子の合わさったものだから。
24Does antimatter have a negative mass?a. No, antimatter does not have a negative mass.b. Yes, antimatter does have a negative mass.
英語のヒント
24反物質は負の質量を持つか。a. いいえ、反物質は負の質量を持たない。b. はい、反物質は負の質量を持つ。
25What similarities exist between the Standard Model and the periodic table of elements?
英語のヒント
25標準模型と元素の周期表にはどんな似たところがあるか。
a. During their invention, both the Standard Model and the periodic table organized material by mass.b. At the times of their invention, both the
英語のヒント
a. 作られた当時、標準模型も周期表も質量で材料を整理していた。b. 作られた当時、
Standard Model and the periodic table organized material by charge.c. At the times of their invention, both the Standard Model and the periodic table organized material by interaction with other available particles.d. At the times of their invention, both the Standard Model and the periodic table organized material by size.
英語のヒント
標準模型も周期表も電荷で材料を整理していた。c. 作られた当時、標準模型も周期表も、他の使える粒子との相互作用で材料を整理していた。d. 作られた当時、標準模型も周期表も大きさで材料を整理していた。
26How were particle collisions used to provide evidence of the Higgs boson?
英語のヒント
26粒子の衝突は、ヒッグス粒子の証拠を与えるのにどう使われたか。
a. Because some particles do not contain the Higgs boson, the collisions of such particles will cause their destruction.b. Because only the charged particles contain the Higgs boson, the collisions of such particles will cause their destruction and will expel the Higgs boson.c. Because all particles with mass contain the Higgs boson, the collisions of such particles will cause their destruction and will absorb the Higgs boson.d. Because all particles with mass contain the Higgs boson, the collisions of such particles will cause their destruction and will expel the Higgs boson.
英語のヒント
a. 一部の粒子はヒッグス粒子を含まないので、そうした粒子の衝突はそれらを壊すから。b. 電荷を持つ粒子だけがヒッグス粒子を含むので、そうした粒子の衝突はそれらを壊し、ヒッグス粒子を放り出すから。c. 質量を持つすべての粒子はヒッグス粒子を含むので、そうした粒子の衝突はそれらを壊し、ヒッグス粒子を吸収するから。d. 質量を持つすべての粒子はヒッグス粒子を含むので、そうした粒子の衝突はそれらを壊し、ヒッグス粒子を放り出すから。
27Explain how the combination of a quark and antiquark can result in the creation of a hadron.a. The combination of a quark and antiquark can result in a particle with an integer charge and color of white, therefore satisfying the properties for a hadron.b. The combination of a quark and antiquark must result in a particle with a negative charge and color of white, therefore satisfying the properties for a hadron.c. The combination of a quark and antiquark can result in a particle with an integer charge and color that is not white, therefore satisfying the properties for a hadron.d. The combination of a quark and antiquark can result in particle with a fractional charge and color that is not white, therefore satisfying the properties for a hadron.
英語のヒント
27クォークと反クォークの組み合わせがどうハドロンを作りうるかを説明せよ。a. クォークと反クォークの組み合わせは、整数の電荷と白の色を持つ粒子になりうるので、ハドロンの性質を満たす。b. クォークと反クォークの組み合わせは、負の電荷と白の色を持つ粒子にならなければならないので、ハドロンの性質を満たす。c. クォークと反クォークの組み合わせは、整数の電荷と白でない色を持つ粒子になりうるので、ハドロンの性質を満たす。d. クォークと反クォークの組み合わせは、分数の電荷と白でない色を持つ粒子になりうるので、ハドロンの性質を満たす。
23.3 The Unification of Forces 28Why does the strength of the strong force diminish under high-energy conditions?
英語のヒント
23.3 力の統一 28高いエネルギーの条件で強い力の強さが弱まるのはなぜか。
a. Under high-energy conditions, particles interacting under the strong force will be compressed closer together. As a result, the force between them will decrease.b. Under high-energy conditions, particles interacting under the strong force will start oscillating. As a result, the force between them will increase.c. Under high-energy conditions, particles interacting under the strong force will have high velocity. As a result, the force between them will decrease. d. Under high-energy conditions, particles interacting under the strong force will start moving randomly. As a result, the force between them will decrease.
英語のヒント
英語のヒント
a. 高いエネルギーの条件では、強い力で相互作用する粒子はより近くへ押し縮められる。その結果、そのあいだの力は減るから。b. 高いエネルギーの条件では、強い力で相互作用する粒子は振動し始める。その結果、そのあいだの力は増えるから。c. 高いエネルギーの条件では、強い力で相互作用する粒子は速度が大きくなる。その結果、そのあいだの力は減るから。 d. 高いエネルギーの条件では、強い力で相互作用する粒子はでたらめに動き始める。その結果、そのあいだの力は減るから。
29If some unknown cause of the red shift, such as light becoming tired from traveling long distances through empty space, is discovered, what effect would there be on cosmology?
英語のヒント
29赤方偏移の原因として、たとえば光が空っぽの空間を長く進むうちに疲れるといった知られていない原因が見つかったとしたら、宇宙論にどんな影響があるか。
a. The effect would be substantial, as the Big Bang is based on the idea that the red shift is evidence that galaxies are moving toward one another.b. The effect would be substantial, as the Big Bang is based on the idea that the red shift is evidence that the galaxies are moving away from one another.c. The effect would be substantial, as the Big Bang is based on the idea that the red shift is evidence that galaxies are neither moving away from nor moving toward one another.d. The effect would be substantial, as the Big Bang is based on the idea that the red shift is evidence that galaxies are sometimes moving away from and sometimes moving toward one another.
英語のヒント
a. 影響は大きい。ビッグバンは、赤方偏移が銀河どうしが近づいている証拠だという考えにもとづくから。b. 影響は大きい。ビッグバンは、赤方偏移が銀河どうしが遠ざかっている証拠だという考えにもとづくから。c. 影響は大きい。ビッグバンは、赤方偏移が銀河どうしが遠ざかりも近づきもしていない証拠だという考えにもとづくから。d. 影響は大きい。ビッグバンは、赤方偏移が銀河どうしがときに遠ざかり、ときに近づいている証拠だという考えにもとづくから。
30How many molecules of water are necessary if scientists wanted to check the -yr estimate of proton decay within the course of one calendar year?
英語のヒント
30陽子の崩壊の年という見積もりを、一暦年のうちに確かめようとするなら、水の分子は何個要るか。
31As energy of interacting particles increases toward the theory of everything, the gravitational force between them increases. Why does this occur?
英語のヒント
31相互作用する粒子のエネルギーが万物の理論へ向けて増えると、粒子どうしの重力は増える。なぜそうなるのか。
a. As energy increases, the masses of the interacting particles will increase.b. As energy increases, the masses of the interacting particles will decrease.c. As energy increases, the masses of the interacting particles will remain constant.d. As energy increases, the masses of the interacting particles starts changing (increasing or decreasing). As a result, the gravitational force between the particles will increase.
英語のヒント
a. エネルギーが増えると、相互作用する粒子の質量が増えるから。b. エネルギーが増えると、相互作用する粒子の質量が減るから。c. エネルギーが増えても、相互作用する粒子の質量は変わらないから。d. エネルギーが増えると、相互作用する粒子の質量が変わり始める(増えるか減るかする)。その結果、粒子どうしの重力は増えるから。
Performance Task実践課題
23.3 The Unification of Forces 32Communication is an often overlooked and useful skill for a scientist, especially in a competitive field where financial resources are limited. Scientists are often required to explain their findings or the relevance of their work to agencies within the government in order to maintain funding to continue their research. Let’s say you are an ambitious young particle physicist, heading an expensive project, and you need to justify its existence to the appropriate funding agency. Write a brief paper (about one page) explaining why molecular-level structure is important in the functioning of designed materials in a specific industry.
英語のヒント
23.3 力の統一 32伝える力は、科学者にとって見落とされがちだが役に立つ技である。とくに資金が限られた競争の激しい分野ではそうである。科学者はしばしば、研究を続けるための資金を保つために、自分の発見や仕事の意義を政府の機関に説明することを求められる。あなたは野心的な若い素粒子物理の研究者で、費用のかかる計画を率いており、しかるべき資金の機関にその存在意義を示さなければならないとしよう。ある産業で設計された材料がはたらくうえで、分子の水準の構造がなぜ重要かを説明する短い文章(1ページほど)を書け。
• First, think of an industry where molecular-level structure is important.• Research what materials are used in that industry as well as what are the desired properties of the materials.• What molecular-level characteristics lead to what properties?
英語のヒント
・まず、分子の水準の構造が重要な産業を一つ思い浮かべよ。・その産業でどんな材料が使われ、その材料にどんな性質が求められているかを調べよ。・どんな分子の水準の特徴が、どんな性質につながるか。
One example would be explaining how flexible but durable materials are made up of long-chained molecules and how this is useful for finding more environmentally friendly alternatives to plastics. Another example is explaining why electrically conductive materials are often made of metal and how this is useful for developing better batteries.
英語のヒント
一つの例は、しなやかで丈夫な材料が長い鎖の分子でできていること、そしてそれがプラスチックに代わるより環境にやさしいものを見つけるのにどう役立つかを説明することである。もう一つの例は、電気をよく通す材料がしばしば金属でできているのはなぜか、そしてそれがよりよい電池を作るのにどう役立つかを説明することである。