Wszechświat cząstek elementarnych dla humanistów

Lista przykładowych pytań egzaminacyjnych

• Co uważano za najmniejszy, niepodzielny składnik materii w XIX wieku?
• Co równania Maxwella mówiły o naturze światła?
• Kiedy odkryto pierwszą cząstkę elementarną? Jaka to była cząstka?
• Co oznacza zapis 10⁶?
• Femtometr to ile milimetrów?
• MeV ile to elektronowoltów?
• Kiedy możemy stosować prawa fizyki kasycznej?
• Kiedy musimy stosować prawa mechaniki kwantowej?
• Ile wynosi prędkość światła?
• Co Szczególna Teoria Względności mówi o pomiarze czasu?
• Co Einstein założył o prędkości światła?
• Kiedy cząstka może się poruszać szybciej niż z prędkością światła?
• Porównaj rozmiary cząsteczki, atomu i kwarku
• Z czego zbudowane jest jądro atomowe?
• Z czego składa się proton?
• Czy cząstka elementarna to to samo co cząsteczka?
• Czym różni się cząstka elementarna od fundamentalnej?
• Co to jest nukleon?

• Co to jest zjawisko fotoelektryczne?
• Za co Einstein dostał nagrodę Nobla?
• Od czego zależy energia fotonu?
• Czy światło jest strumieniem cząstek czy falą?
• Jakie znasz rodzaje promieniotwórczości naturalnej?
• Jakie cząstki emitowane są w promieniowaniu beta?
• Na czym polegało doświadczenie Rutherforda?
• Jak zbudowany był atom w modelu Rutherforda (1911)?
• Jaką hipotezę wysunął Louise de Broglie?
• Czy zachowanie cząstek jest ściśle deterministyczne?
• Co to znaczy, że cząstki mają naturę falową?
• Jakie źródło cząstek zostało wykorzystane do odkrycia pozytonu?
• Jaka jest największa obserwowana energia promieni kosmicznych?
• Jaki cząstki naładowane dominują w pierwotnym promieniowaniu kosmicznym (poza atmosferą ziemską)?
• Czy pierwotne promieniowanie kosmiczne dociera do powierzchni Ziemi?
• Jakie cząstki naładowane dominują w promieniowaniu kosmicznym docierającym do powierzchni Ziemi?
• Ile cząstek naładowanych wtórnego promieniowania kosmicznego dociera do powierzchni Ziemi?
• Podaj przykład cząstki odkrytej w promieniowaniu kosmicznym.

• Jakie pole może wykorzystujemy do przyspieszania cząstek naładowanych?
• Jakie pole pozwala zmienić kierunek ruchu cząstki naładowanej bez zmiany jej energii?
• Jakie cząstki możemy przyspieszać w akceleratorach?
• Jaka jest zasada działania akceleratora liniowego?
• Jaką rolę odgrywa pole magnetyczne w akceleratorach kołowych?
• Jak nazywał się pierwszy typ akceleratora kołowego?
• Z jakich elementów zbudowany jest pierścień akceleratora kołowego?
• Jaki jest obwód największego zbudowanego do tej pory akceleratora?
• Jakie cząstki i do jakiej energii przyspiesza akcelerator LHC?
• Jak często zderzają się cząstki w LHC?
• Dlaczego budujemy akceleratory wiązek przeciwbieżnych ("kolajdery")?
• Wymień inne, niż badania naukowe, zastosowanie akceleratorów.

• Czy możemy zmierzyć tor lotu cząstki naładowanej w próżni?
• Wymień 3 procesy wykorzystywane do detekcji cząstek.
• Jakie oddziaływanie cząstki naładowanej i z jakimi składnikami materii prowadzi do jonizacji?
• Jaką metodą detekcji cząstek odkryto promieniotwórczość naturalną (H.Becquerel, 1896)?
• Jaka jest zasada działania komory pęcherzykowej?
• Na czym polega pomiar jonizacji w detektorach gazowych i półprzewodnikowych?
• Dlaczego wprowadzenie komór wielodrutowych stanowiło przełom w fizyce cząstek?
• Jaka jest główna zaleta pikselowych detektorów półprzewodnikowych?
• Jaki detektor najlepiej użyć do zliczania pojedynczych fotonów światła?
• Jaki jest warunek emisji promieniowania Czerenkowa przez cząstkę naładowaną?
• Oddziaływania jakich cząstek rejestrujemy w detektorze Super-Kamiokande?
• W jakim detekorze możemy zmierzyć energię cząstki neutralnej?
• W jaki sposób wysokoenergetyczny foton oddziałuje z materią?
• Jaki jest główny mechanizm strat energii w materii dla wysokoenergetycznego elektronu?

• Ile wynosi (w przybliżeniu) masa protonu?
• Jaka jest najcięższa znana cząstka?
• Co to jest produkcja rezonansowa?
• Jaki jest warunek konieczny, żeby mógł zajść rozpad a → b + c ?
• Jakie są dwie najbardziej trwałe cząstki elementarne?
• Jakie jest prawdopodobieństwo, że cząstka rozpadnie się po czasie dłuższym niż jej średni czas życia?
• Cząstka ma średni czas życia równy 1s. Po jakim czasie na pewno się rozpadnie?
• Czy mion rozpada się szybko, czy wolno? (w porównaniu do innych cząstek)
• Co to są hadrony?
• Ile wynosi liczba barionowa dla elektronu?
• Ile wynosi liczba taonowa antyneutrina mionowego?
• Na jakiej podstawie zaproponowano model kwarkowy?
• W jaki sposób zaobserwowano partony w protonie?
• Ile jest możliwych stanów kolorowych kwarku?
• Co to jest asymptotyczna swoboda?
• Na czym polega uwięzienie kwarków?
• Co daje główny wkład do masy protonu?

• Do wyjaśnienia jakiego zjawiska konieczne było wprowadzenie neutrina?
• Jakim oddziaływaniom podlega neutrino?
• Zapisz reakcję rozpadu neutronu.
• Jaki jest ładunek elektryczny neutrina elektronowego?
• Co to jest spin?
• Kiedy mówimy, że poruszający się elektron jest lewoskrętny?
• Jak w teorii Fermiego wyjaśnione były długie czasy życia dla rozpadów słabych?
• Co to jest transformacja parzystości?
• Istnienie jakich cząstek przewidywał model Weinberg'a-Salam'a?
• Jak w modelu Weinberg'a-Salam'a tłumaczymy "słabość" oddziaływań słabych?
• W jakim oddziaływaniu może zmienić się zapach cząstki?
• Podaj przykład procesu z emisją bozonu W⁺.
• Z jaką cząstką oddziaływania słabe sprzęgają kwark s?
• Które ze znanych oddziaływań fundamentalnych nie zachowuje parzystości?
• Czy w oddziaływaniach słabych antycząstka zachowuje się dokładnie tak jak cząstka?
• Jakie oddziaływania są odpowiedzialne za produkcję deuteru w Słońcu?

• Wymień przynajmniej 3 elementy składowe współczesnego detektora uniwersalnego przy kolajderach?
• Jaki element detektora uniwersalnego znajduje się naogół najbliżej punktu przecięcia wiązek?
• Na jakiej podstawie możemy wyznaczyć pęd cząstki naładowanej w detektorze śladowym?
• W jakim elemencie detektora uniwersalnego możemy zmierzyć energie fotonów i elektronów?
• Jaki element detektora uniwersalnego położony jest najdalej od punktu zderzenia wiązek?
• Jak w eksperymentach przy kolajderach obserwujemy kwarki?
• Co to są strugi (ang. jety) cząstek?
• W jaki sposób w detektorze uniwersalnym widoczne są gluony?
• Na jakiej podstawie możemy wnioskować, że w zderzeniu cząstek powstało neutrino?
• Podaj nazwy przynajmniej 2 eksperymentów przy LHC.
• Dlaczego detektory przy LHC muszą być wyposażone w dedykowane układy wyzwalania?
• Co to znaczy, że układ wyzwalania ma strukturę wielopoziomową?
• Na którym poziomie układu wyzwalania jest najmniej czasu na podjęcie decyzji?
• Jak nazywa się system informatyczny rozwinięty do przechowywania i analizy danych LHC?
• Gdzie znajduje się główny węzeł (Poziom 0) sieci GRID dla LHC?
• Co mamy na myśli mówiąc, że jakiś wynik pochodzi z Monte Carlo?

• Czy cząstka na powłoce masy może być obserwowana w detektorze?
• Co to jest cząstka wirtualna?
• Narysuj diagram Faynmana dla procesu anihilacji elektron-pozyton.
• W jakim oddziaływaniu może zmieniać się zapach fermionu? Narysuj przykładowy wierzchołek.
• Na czym polega rozpad beta neutronu na poziomie fundamentalnym?
• Wypisz jedną reakcję skrzyżowaną do rozpadu beta neutronu.
• Wypisz jeden procesy skrzyżowany do procesu rozproszenia kwarków: u d → u d
• Na jakie kwarki rozpada się gluon zielono-antyczerwony?
• Kwark niebieski promieniuje gluon niebiesko-antyzielony w elementarnym procesie q → g q i zmienia kolor. Na jaki?
• Jaka jest wartość stałej struktury subtelnej (przy niskich energiach)?
• Uszereguj od najmniejszej do największej stałe sprzężenia oddziaływań podstawowych: α_s, α_w, α_em.
• Jaki jest wymiar (jednostka) stałej struktury subtelnej α_em ?
• Dlaczego pion obojętny π^o rozpada się dużo szybciej niż pion naładowany π⁺?
• Czy oddziaływania słabe są "słabe" bo masa W jest duża?
• Skąd wiemy, że są 3 kolory kwarków?

• Jak zależy od stałej struktury subtelnej α_em prawdopodobienstwo reakcji e⁺e^-→μ⁺μ^- (w wiodącym rzędzie rachunku)?
• Co mamy na myśli mówiąc, że jakiś diagram daje wkład "wyższego rzędu"?
• Ile wynosi stała struktury subtelnej dla skali Q²→0 , ile dla Q²=M_Z²?
• Czy ze wzrostem energii (wartości przekazu czteopędu) dwa elektrony oddziałują silniej czy słabiej?
• Kiedy kwarki stają się bardziej swobodne (mniejsza "siła" działywania) - dla dużych czy małych energii? Dla jakich energii mamy uwięzienie kwarków?
• Kiedy teoria jest renormalizowalna?
• W jakim doświadczeniu możemy zmierzyć "goły" ładunek elektronu?
• Czy elektrodynamika kwantowa prowadzi do nieskończonych wyrażeń na etapach pośrednich?
• W jaki sposób możemy usunąć rozbiezności w przewidywaniach teorii?
• Czego dotyczy twierdzenie Noether?
• Z jakiej symetrii wynika zasada zachowania energii?
• Podaj przykład spontanicznego łamania symetrii z życia codziennego?
• Czy gra w ruletkę to przykład spontanicznego łamania symetrii?
• Ile grup symetrii zakłada konstrukcja Modelu Standardowego?
• Jaka jest rola bozonu Higgsa w Modelu Standardowym?
• W jaki sposób wprowadzamy masy cząstek w Modelu Standardowym?

• Istnienie jakich cząstek przewidywał model Weinberg'a-Salam'a?
• Gdzie i kiedy odkryto bozony W i Z?
• W jakim procesie zaobserwowano po raz pierwszy produkcję bozonu Z?
• Przy jakim akceleratorze badano rezonansową produkcje boznu Z?
• Dlaczego precyzyjne pomiary w LEP były czułe na masy kwarku t i bozonu Higgsa ?
• Gdzie i kiedy odkryto kwark t ?
• Z jaką dokładnością znamy dziś masę kwarku t?
• W jakich kanałach rozpadu najłatwiej zaobserwować bozon Higgsa w LHC?
• Gdzie i kiedy odkryto cząstkę Higgsa?
• Jaka jest masa bozonu Higgsa?
• Jak bozon Higgsa sprzęga się do innych cząstek?
• Jak długo prowadzone będą eksperymenty przy LHC?
• Jaka jest energia dostępna obecnie (2017) w zderzeniach wiązek LHC?
• Jakie wyniki eksperymentów przy kolajderach są sprzeczne z Modelem Standardowym?

• W jakich oddziaływaniach (z wymianą jakiej cząstki) obserwujemy mieszanie kwarków?
• Jaki parametr wprowadzono, żeby wyjaśnić długie czasy życia cząstek dziwnych?
• Dlaczego Glashow, Iliopoulos i Maiani zapostulowali istnienie kwarku c?
• Do wyjaśnienia jakiego zjawiska konieczne było wprowadzenie neutrina?
• Jaka jest masa neutrin?
• Jakie neutrina (z jakiego źródła) zostały zaobserwowane jako pierwsze?
• Jaka jest szansa, że neutrino ze Słońca przeleci przez Ziemię?
• Wymień dwa źródła neutrin badanych we współczesnych eksperymentach.
• Na jakiej podstawie eksperyment Super-Kamiokande identyfikował neutrina słoneczne?
• Czy liczba neutrin słonecznych mierzonych w Super-Kamiokande zgadzała się z przewidywaniami modelu Słońca?
• Jaki wynik Super-Kamiokande wskazywał na oscylacje atmosferycznych neutrin mionowych?
• Co to znaczy, że neutrina oscylują?
• Czy prawdopodobieństwo przemiany neutrina jest większe dla bardzo małych czy dla bardzo dużych odległości?
• Dlaczego uważamy, że neutrina mają masę?
• Jakiego rzędu masy neutrin są potrzebne do wyjaśnienia oscylacji?
• Jakie neutrina emituje Słońce? A jakie docierają do Ziemi?
• Czy potwierdzono oscylacje neutrin produkowanych w reaktorach?

• Wymień 3 problemy Modelu Standardowego.
• Co oznacza skrót GUT?
• Czy Wielka Unifikacja dotyczy połączonego opisu oddziaływań fundamentalnych wraz z grawitacją?
• Dla jakich energii przewiduje się realizację Wielkiej Unifikacji?
• Jakie nowe cząstki pojawiają się w SU(5)?
• Czy liczba barionowa jest zachowana w SU(5)?
• Czy szybkość rozpadu protonu w SU(5) zgadza się z danymi doświadczalnymi?
• Czy superymetria została odkryta?
• Jakie były oczekiwane masy cząstek supersymetrycznych?
• Jak nazywają się supersymetryczni partnerzy kwarków?
• Ile cząstek Higgsa przewiduje MSSM?
• Czy istnieją teorie zakładające różną od 4 liczbę wymiarów czasoprzestrzeni?
• Dlaczego dodatkowe wymiary przestrzenne mogłyby pozostać dla nas niewidoczne?
• Jak wpływają dodatkowe wymiary na skalę unifikacji oddziaływań?

• Jak opisywane są oddziaływania grawitacyjne w Ogólnej Teorii Względności?
• Jak materia we Wszechświecie może wpływać na bieg promieni światła?
• Kiedy mówimy o silnym soczewkowaniu grawitacyjnym?
• Na czym polega słabe soczewkowanie grawitacyjne?
• Kiedy mamy do czynienia z efektem Dopplera?
• O czym możemy wnioskować na podstawie przesunięcia lini widmowych świecącego obiektu?
• Jak porusza się względem nas odległa galaktyka, jeśli jej światło jest bardziej niebieskie niż podobnych galaktyk spoczywających względem nas?
• Jak zmieni się położenie lini widmowych w widmie galaktyki która oddala się od nas z prędkością porównywalną z prędkością światła?
• Co mówi prawo Hubbla?
• Co to są "świece standardowe"?
• Dlaczego Supernowe typu 1A są dobrymi obiektami do badania rozszerzania się Wszechświata?
• Jaką strukturę ma Wszechświat na skalach kosmologicznych?
• Jakie cząstki wypełniały Wszechświat tuż po Wielkim Wybuchu?
• W jakim czasie po Wielkim Wybuchu powstały jądra atomowe?
• Ile lat po Wielkim Wybuchu powstały atomy?
• Co to jest "gęstość krytyczna" Wszechświata?
• Jaka byłaby przyszłość Wszechświata gdyby gęstość materii była większa od gęstości krytycznej?
• Na jakiej podstawie wnioskujemy o obecności ciemnej materii we Wszechświecie?
• W jakich oddziaływaniach biorą udział cząstki ciemnej materii?

• Co wiemy o oddziaływaniach ciemnej materii?
• O czym mówią nam obserwacje Gromady Pocisk?
• Wymień dwa możliwe sposoby poszukiwania cząstek ciemnej materii.
• Czym wypełniony był Wszechświat, gdy połączyły się elektrony i jądra atomowe?
• Kiedy powstało mikrofalowe promieniowanie tła?
• Jakiej temperaturze odpowiada widmo promieniowania reliktowego?
• Jak nazywał się satelita, który dostarczył bardzo precyzyjnych pomiarów fluktuacji mikrofalowego promieniowania tła?
• Od czego zależą obserwowane obecnie rozmiary fluktuacji w mikrofalowym promieniowaniu tła?
• Jaka jest całkowita gęstość materii/energii we Wszechświecie (w jednostkach gęstości krytycznej)?
• Jaka jest krzywizna Wszechświata na skalach kosmologicznych?
• Jaką część gęstości Wszechświata stanowi ciemna materia?
• Jaką część gęstości Wszechświata stanowią atomy?

• Kto stworzył teorię przewidującą istnienie fal grawitacyjnych?
• W jaki sposób pośrednio potwierdzono istnienie fal grawitacyjnych (Nobel 1993)?
• Co może być źródłem fal grawitacyjnych?
• Z jaką prędkością rozchodzą się fale grawitacyjne?
• Czy fale grawitacyjne przenoszą energię?
• Jaką metodą staramy się mierzyć fale grawitacyjne?
• Jak nazywają się dwa główne eksperymenty mierzące fale grawitacyjne?
• Jakie było (najprawdopodobniej) źródło odkrytego we wrześniu 2015 roku impulsu fal grawitacyjnych?
• Jakie było (najprawdopodobniej) źródło zaobserwowanego 17 sierpnia 2017 roku impulsu fal grawitacyjnych?
• Dlaczego przypadek fal grawitacyjnych zaobserwowany 17 sierpnia 2017 był wyjątkowy (GW170817)?
• Ile przypadków detekcji fal grawitacyjnych zaobserwowano do tej pory?