2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——粒子物理學(xué)中的基本粒子研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號內(nèi)。每小題2分，共20分。）1.下列粒子中，屬于規(guī)范玻色子的是？(A)電子(B)質(zhì)子(C)光子(D)W玻色子2.粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，傳遞弱相互作用的是？(A)光子(B)膠子(C)W和Z玻色子(D)希格斯玻色子3.具有整數(shù)自旋的粒子稱為？(A)輕子(B)強(qiáng)子(C)媒介子(D)玻色子4.在粒子碰撞實(shí)驗(yàn)中，利用云室主要目的是？(A)測量粒子能量(B)探測粒子動(dòng)量(C)觀察粒子軌跡(D)分析粒子衰變產(chǎn)物5.下列哪個(gè)量子數(shù)與強(qiáng)子分類直接相關(guān)？(A)電荷(B)自旋(C)同位旋(D)輕子數(shù)6.希格斯機(jī)制的主要作用是？(A)解釋弱相互作用中的CP破壞(B)傳遞電磁相互作用(C)賦予規(guī)范玻色子質(zhì)量(D)解釋粒子的不穩(wěn)定性7.下列哪種現(xiàn)象是楊-米爾斯理論預(yù)言的？(A)光電效應(yīng)(B)康普頓散射(C)粒子自發(fā)衰變(D)強(qiáng)相互作用的存在8.具有非零重子數(shù)的粒子一定是？(A)輕子(B)媒介子(C)強(qiáng)子(D)玻色子9.在粒子物理實(shí)驗(yàn)中，氣泡室相比于云室的主要優(yōu)點(diǎn)是？(A)對帶電粒子分辨率更高(B)能探測到不帶電粒子(C)更易觀察弱相互作用過程(D)成本更低廉10.輕子數(shù)守恒是下列哪種相互作用的守恒定律？(A)強(qiáng)相互作用(B)弱相互作用(C)電磁相互作用(D)引力相互作用二、填空題（請將答案填在題后的橫線上。每空2分，共20分。）1.粒子的量子數(shù)自旋為其內(nèi)在的__________，是表征粒子基本屬性的物理量。2.傳遞強(qiáng)相互作用的基本粒子稱為__________，它具有不同的顏色電荷。3.標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯粒子于__________年被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其存在證實(shí)了希格斯機(jī)制。4.在弱相互作用中，改變粒子宇稱的現(xiàn)象被稱為__________。5.質(zhì)子的電荷數(shù)為+1，其重子數(shù)為__________，輕子數(shù)為0。6.粒子物理研究的基本對象是__________，即不能被進(jìn)一步分解的基本單元（根據(jù)當(dāng)前認(rèn)知）。7.規(guī)范玻色子是傳遞__________的基本粒子，例如光子傳遞電磁相互作用。8.粒子發(fā)生衰變時(shí)，必須遵守__________、__________和CP（或CP2）守恒定律。9.實(shí)驗(yàn)上探測到中微子存在的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)是__________實(shí)驗(yàn)。10.除了強(qiáng)、弱、電磁相互作用外，自然界還存在一種基本相互作用，即__________相互作用。三、簡答題（請簡要回答下列問題。每題5分，共20分。）1.簡述粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的主要內(nèi)容。2.解釋什么是“宇稱不守恒”，并簡述其首次被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的例子。3.簡述加速器在粒子物理研究中的作用。4.簡單比較云室和氣泡室這兩種常用粒子探測器的原理和主要區(qū)別。四、計(jì)算題（請寫出必要的公式和計(jì)算過程。每題7分，共14分。）1.一個(gè)能量為1TeV的γ光子在相互作用中產(chǎn)生了一對正負(fù)電子（電子質(zhì)量和靜止能量為0.511MeV），求：(1)產(chǎn)生的正電子和電子的動(dòng)能；(2)這個(gè)過程中是否有能量守恒？簡要說明。2.一個(gè)π+介子衰變?yōu)橐粋€(gè)μ+介子和一個(gè)中微子（μ+的質(zhì)量為105.7MeV，π+的質(zhì)量為139.6MeV，假設(shè)中微子靜止）。求：(1)衰變后μ+介子的動(dòng)能和動(dòng)量；(2)簡要說明在實(shí)驗(yàn)室參考系中，這個(gè)衰變過程是否滿足能量和動(dòng)量守恒。五、論述題（請結(jié)合所學(xué)知識(shí)，條理清晰地回答問題。10分。）結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)模型，討論粒子物理學(xué)的對稱性原理。對稱性在粒子物理理論構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中扮演了怎樣的角色？請舉例說明。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.D4.C5.C6.C7.D8.C9.A10.B二、填空題1.內(nèi)稟角動(dòng)量2.膠子3.2012年4.弱相互作用5.16.基本粒子7.基本相互作用8.能量，動(dòng)量9.費(fèi)米10.引力三、簡答題1.標(biāo)準(zhǔn)模型主要內(nèi)容：包含12種費(fèi)米子（6種夸克、6種輕子）和4種規(guī)范玻色子（W+,W-,Z0傳遞弱力，γ傳遞電磁力），以及希格斯玻色子。描述了三種基本相互作用（強(qiáng)、弱、電磁）通過規(guī)范場傳遞的機(jī)制，并預(yù)言了質(zhì)子穩(wěn)定性等。2.宇稱不守恒：指在弱相互作用中，物理定律在空間反演下不具有對稱性。實(shí)驗(yàn)例子：吳健雄等人的鈷-60衰變實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)放射性衰變產(chǎn)生的電子束具有指向性，違反了宇稱守恒。3.加速器作用：提供高能粒子束，使粒子獲得足夠高的能量進(jìn)行碰撞，以產(chǎn)生新的、通常比原有粒子更重的粒子；或者研究粒子在高能狀態(tài)下的性質(zhì)和相互作用。4.云室原理：利用過飽和蒸汽在帶電粒子經(jīng)過時(shí)凝結(jié)，形成可見軌跡。氣泡室原理：利用超熱液體在粒子作用下產(chǎn)生氣泡，形成可見軌跡。主要區(qū)別：云室觀察帶電粒子軌跡更直觀，氣泡室對高能粒子和不帶電粒子（如π0衰變）的探測能力更強(qiáng)，分辨率也較高。四、計(jì)算題1.(1)能量守恒：E_γ=T_π++T_π-+m_e*c^2+m_e*c^2=1TeV=1000GeV。衰變后產(chǎn)生π+和π-，它們會(huì)很快衰變。設(shè)π+衰變?yōu)棣?和ν_μ，π-衰變?yōu)棣?和ν?_μ。最終產(chǎn)物為μ+、μ-、ν_μ、ν?_μ?？偰芰渴睾悖篍_γ=(T_μ++m_μ*c^2)+(T_μ-+m_μ*c^2)+0+0。每個(gè)μ子靜止質(zhì)量能量為105.7MeV，總靜止質(zhì)量能量為2*105.7MeV=211.4MeV=2.11x10^-7GeV。所以，(T_μ++T_μ-)=1000GeV-2.11x10^-7GeV≈1000GeV。由于系統(tǒng)動(dòng)量守恒，初始γ光子動(dòng)量為p_γ=E_γ/c=1000GeV/c。最終產(chǎn)物動(dòng)量矢量和為零，即每個(gè)μ子動(dòng)量大小相等，方向相反。動(dòng)量守恒：p_γ=p_μ+-p_μ-。由E^2=(pc)^2+(m*c^2)^2，對于高能粒子，E≈pc，所以p_γ≈E_γ/c=1000GeV/c。p_μ+≈T_μ+/c，p_μ-≈T_μ-/c。由p_γ=p_μ+-p_μ-，得T_μ+-T_μ-=c^2*p_γ=1000GeV。結(jié)合T_μ++T_μ-≈1000GeV，解得T_μ+≈500.5GeV，T_μ-≈499.5GeV。答：正電子和電子的動(dòng)能分別為約500.5GeV和499.5GeV。（注：此題按簡化模型處理，未考慮π介子衰變道及ν,ν?的動(dòng)能，嚴(yán)格計(jì)算更復(fù)雜）。(2)能量守恒成立。初始γ光子能量等于最終所有粒子（μ+、μ-、ν_μ、ν?_μ）的總能量。2.(1)衰變過程：π+→μ++ν_μ。系統(tǒng)在衰變前動(dòng)量為零（設(shè)π+靜止），衰變后動(dòng)量守恒：p_π+=p_μ+。能量守恒：m_π*c^2=E_μ+=T_μ++m_μ*c^2。動(dòng)量：p_μ+=m_π*c/sqrt(1-v_μ^2/c^2)≈m_π*c/(1-v_μ^2/2c^2)(對于v_μ<<c)。動(dòng)能：T_μ+=m_π*c^2*v_μ^2/(2c^2)=(m_π^2*c^4)/(2*(p_μ+)^2)。將p_μ+=m_π*c代入，得T_μ+=(m_π*c^2)^2/(2*(m_π*c)^2)=m_π*c^2/2=139.6MeV/2=69.8MeV。答：μ+介子的動(dòng)能約為69.8MeV。動(dòng)量約為139.6MeV/c。(2)能量守恒：初始π+能量為139.6MeV，最終μ+能量為69.8MeV+105.7MeV=175.5MeV。能量不守恒。動(dòng)量守恒：初始π+動(dòng)量為零，最終μ+動(dòng)量不為零，ν_μ動(dòng)量必須與μ+動(dòng)量等大反向，系統(tǒng)總動(dòng)量為零。答：在實(shí)驗(yàn)室參考系中，此衰變過程能量不守恒，但動(dòng)量守恒。五、論述題對稱性是粒子物理學(xué)的核心原理之一。廣義上指物理系統(tǒng)的某種屬性（如空間均勻性、時(shí)間平移不變性、轉(zhuǎn)動(dòng)不變性等）不變。規(guī)范對稱性則與基本相互作用相關(guān)，楊-米爾斯理論認(rèn)為，三種基本相互作用（強(qiáng)、弱、電磁）的本質(zhì)是不同形式的規(guī)范對稱性的lokale(局部的)破壞。例如，電磁力源于U(1)規(guī)范對稱性，弱力和強(qiáng)力源于SU(2)和SU(3)規(guī)范對稱性，通過規(guī)范玻色子（γ,W