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?
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
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?
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?
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.
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。
similar but will annihilate when brought together. • The strong force is carried by eight proposed particles called gluons, which are intimately connected to a quantum number called color—their governing theory is thus called quantum chromodynamics (QCD). Taken together, QCD and the electroweak theory are widely accepted as the Standard Model of particle physics.
よく似ているが、合わせると対消滅する。 ・強い力は、グルーオンと呼ばれる八つの提案された粒子が運ぶ。グルーオンは色という量子数と深く結びついており、それを扱う理論はしたがって量子色力学(QCD)と呼ばれる。QCDと電弱理論を合わせたものが、素粒子物理の標準模型として広く受け入れられている。
23.3 The Unification of Forces23.3 力の統一
• Attempts to show unification of the four forces are called Grand Unified Theories (GUTs) and have been partially successful, with connections proven between EM and weak forces in electroweak theory.• Unification of the strong force is expected at such high energies that it cannot be directly tested, but it may have observable consequences in the as-yet-unobserved decay of the proton. Although unification of forces is generally anticipated, much remains to be done to prove its validity.
・四つの力の統一を示そうとする試みは大統一理論(GUT)と呼ばれ、部分的には成功している。電弱理論では電磁気力と弱い力のつながりが証明された。・強い力の統一は非常に高いエネルギーで起こると考えられ、直接には試せないが、まだ観測されていない陽子の崩壊という形で観測できる帰結を持つかもしれない。力の統一はおおむね期待されてはいるが、その正しさを証明するには多くの仕事が残っている。
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.
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?
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
a. 電磁気力b. 重力
c. strong forced. weak nuclear force
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?
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?
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.
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?
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.
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?
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?
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?
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.
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?
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?
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.
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?
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.
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.
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?
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.
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?
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.
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。
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.
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.
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
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?
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
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
16What is the name for the theory of unification of all four fundamental forces?
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
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.
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
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
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.
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
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
atom is half the total strong nuclear force in a lithium ion.
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.
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.
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.
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.
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?
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
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.
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?
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.
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.
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?
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
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
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.
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?
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
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
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.
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。