IPhO 1994 · Theory problem 1
Relativistic Particle
In the theory of special relativity the relation between energy \(E\) and momentum \(P\) or a free particle with rest mass \(m_0\) is
\[ E=\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}=mc^2 \]
When such a particle is subject to a conservative force, the total energy of the particle, which is the sum of \(\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}\) and the potential energy, is conserved. If the energy of the particle is very high, the rest energy of the particle can be ignored (such a particle is called an ultra relativistic particle).
1) consider the one dimensional motion of a very high energy particle (in which rest energy can be neglected) subject to an attractive central force of constant magnitude \(f\). Suppose the particle is located at the centre of force with initial momentum \(p_0\) at time \(t=0\). Describe the motion of the particle by separately plotting, for at least one period of the motion: \(x\) against time \(t\), and momentum \(p\) against space coordinate \(x\). Specify the coordinates of the “turning points” in terms of given parameters \(p_0\) and \(f\). Indicate, with arrows, the direction of the progress of the mothon in the \((p,x)\) diagram. There may be short intervals of time during which the particle is not ultrarelativistic. However, these should be neglected.
Use Answer Sheet 1.
2) A meson is a particle made up of two quarks. The rest mass \(M\) of the meson is equal to the total energy of the two-quark system divided by \(c^2\).
Consider a one--dimensional model for a meson at rest, in which the two quarks are assumed to move along the \(x\)-axis and attract each other with a force of constant magnitude \(f\) It is assumed they can pass through each other freely. For analysis of the high energy motion of the quarks the rest mass of the quarks can be neglected. At time \(t=0\) the two quarks are both at \(x=0\). Show separately the motion of the two quarks graphically by a \((x,t)\) diagram and a \((p,x)\) diagram, specify the coordinates of the “turning points” in terms of \(M\) and \(f\), indicate the direction of the process in your \((p,x)\) diagram, and determine the maximum distance between the two quarks.
Use Answer Sheet 2.
3) The reference frame used in part 2 will be referred to as frame \(S\), the Lab frame, referred to as \(S\), moves in the negative \(x\)-direction with a constant velocity \(v=0.6c\). the coordinates in the two reference frames are so chosen that the point \(x=0\) in \(S\) coincides with the point \(x'=0\) in \(S''\) at time \(t=t'=0\). Plot the motion of the two quarks graphically in a \((x',t')\) diagram. Specify the coordinates of the turning points in terms of \(M\), \(f\) and \(c\), and determine the maximum distance between the two quarks observed in Lab frame \(S'\).
Use Answer Sheet 3.
The coordinates of particle observed in reference frames \(S\) and \(S''\) are related by the Lorentz transformation
\[ \begin{cases} x'=\gamma(x+\beta ct),\\[2pt] t'=\gamma\left(t+\beta\dfrac{x}{c}\right) \end{cases} \]
where \(\beta=v/c\), \(\gamma=1/\sqrt{1-\beta^2}\) and \(v\) is the velocity of frame \(S\) moving relative to the frame \(S''\).
4) For a meson with rest energy \(Mc^2=140\ \mathrm{MeV}\) and velocity \(0.60c\) relative to the Lab frame \(S''\), determine its energy \(E'\) in the Lab Frame \(S''\).
Official English text of the problem.
Answers
-
Choose \(p_0>0\), and define \[ \tau_0=\frac{p_0}{f},\qquad A_0=\frac{cp_0}{f}. \] The position–time graph consists of straight segments through \[ (t,x):\quad (0,0)\to(\tau_0,A_0)\to(2\tau_0,0) \to(3\tau_0,-A_0)\to(4\tau_0,0). \] The turning points are \((\tau_0,A_0)\) and \((3\tau_0,-A_0)\), and \[ \boxed{T_1=\frac{4p_0}{f}}. \] With \(x\) horizontal and \(p\) vertical, the phase diagram is the clockwise diamond \[ (x,p):\quad (0,p_0)\to(A_0,0)\to(0,-p_0)\to(-A_0,0)\to(0,p_0). \]
-
Define \[ p_*=\frac{Mc}{2},\qquad \tau=\frac{Mc}{2f},\qquad a=\frac{Mc^2}{2f}. \] Quark 1 follows the motion in part 1 with \(p_0=p_*\); quark 2 has \[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \] Their positions at the turning times are \[ t=\tau:\ (x_1,x_2)=(a,-a),\qquad t=3\tau:\ (x_1,x_2)=(-a,a). \] Both phase trajectories follow the same diamond clockwise, starting at opposite momentum vertices. Thus \[ \boxed{T=\frac{2Mc}{f}},\qquad \boxed{d_{\max}=\frac{Mc^2}{f}}. \]
-
Here \(\gamma=5/4\). In coordinates \((t'/\tau,x'/a)\), join the following vertices by straight lines: \[ \begin{aligned} \text{Quark 1:}\quad &(0,0)\to(2,2)\to(3,1)\to(5,3),\\ \text{Quark 2:}\quad &(0,0)\to\left(\tfrac12,-\tfrac12\right) \to\left(\tfrac92,\tfrac72\right)\to(5,3). \end{aligned} \] The two interior vertices of each trajectory are its turning points. Subsequent cycles repeat after a translation \((\Delta t',\Delta x')=(5\tau,3a)\). The maximum simultaneous laboratory separation is \[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
-
The meson’s laboratory energy is \[ \boxed{E'=\frac{Mc^2}{\sqrt{1-0.60^2}}=175\ \mathrm{MeV}}. \]
Solution
Position–time plots below use time horizontally and position vertically. Phase diagrams use \(x\) horizontally and \(p\) vertically. The laboratory frame is denoted consistently by \(S'\).
1) Motion in the constant-magnitude central force
Choose the positive \(x\)-direction along the initial momentum, so \(p_0>0\). In the ultrarelativistic approximation,
\[ E_{\mathrm{particle}}\simeq c|p|, \qquad \dot x=\frac{pc^2}{E_{\mathrm{particle}}} \simeq c\,\operatorname{sgn}(p). \]
Thus the particle moves at speed \(c\) between reversals. The brief non-ultrarelativistic intervals at the turning points are neglected as instructed.
The attractive force and a corresponding potential are
\[ \dot p=-f\,\operatorname{sgn}(x), \qquad U(x)=f|x|. \]
Energy conservation gives
\[ c|p|+f|x|=cp_0. \]
At a spatial turning point, \(p=0\), so the maximum displacement is
\[ A_0=\frac{cp_0}{f}. \]
Initially \(x>0\), hence \(p=p_0-ft\). The first reversal occurs after
\[ \tau_0=\frac{p_0}{f}, \]
at \(x=c\tau_0=A_0\). The force continues to point toward the origin, so the particle returns with negative momentum. After crossing the origin, the force changes sign.
One complete cycle is:
| \(t\) | \(x\) | \(p\) |
|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(p_0\) |
| \(\tau_0\) | \(A_0\) | \(0\) |
| \(2\tau_0\) | \(0\) | \(-p_0\) |
| \(3\tau_0\) | \(-A_0\) | \(0\) |
| \(4\tau_0\) | \(0\) | \(p_0\) |
Join the position entries by straight lines. The slopes are \(+c\) up to \(\tau_0\), \(-c\) from \(\tau_0\) to \(3\tau_0\), and \(+c\) thereafter. The origin crossing at \(2\tau_0\) is not a reversal.
Consequently,
\[ \boxed{T_1=4\tau_0=\frac{4p_0}{f}}. \]
The phase curve follows directly from energy conservation:
\[ \boxed{\frac{|x|}{A_0}+\frac{|p|}{p_0}=1}. \]
It is a diamond with vertices \((0,p_0)\), \((A_0,0)\), \((0,-p_0)\), and \((-A_0,0)\). Starting at the upper vertex, the motion proceeds to the right vertex, then the lower vertex, then the left vertex, and back to the upper vertex: clockwise.
For an initially negative signed momentum, reflect both \(x\) and \(p\); the amplitude and period use \(|p_0|\).
2) The two quarks in the meson rest frame
Take the interaction potential to vanish when the quarks coincide. For separation \(r=|x_1-x_2|\),
\[ U(r)=fr. \]
Because the meson is at rest, the initial quark momenta are equal and opposite. Label the initially right-moving quark as quark 1:
\[ p_1(0)=p_*,\qquad p_2(0)=-p_*. \]
At \(t=0\), the potential energy is zero. The total energy therefore gives
\[ Mc^2=2cp_*, \qquad \boxed{p_*=\frac{Mc}{2}}. \]
Symmetry preserves
\[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \]
Each quark experiences a force of magnitude \(f\) directed toward the other quark, which is also toward the origin while they are separated. Therefore each follows the motion found in part 1, with
\[ \boxed{\tau=\frac{Mc}{2f}},\qquad \boxed{a=c\tau=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
The complete energy equation confirms this:
\[ Mc^2 =2c|p_1|+f|x_1-x_2| =2\bigl(c|p_1|+f|x_1|\bigr). \]
The following table specifies both plots over one period:
| \(t/\tau\) | \(x_1/a\) | \(p_1/p_*\) | \(x_2/a\) | \(p_2/p_*\) |
|---|---|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
| \(1\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) |
| \(2\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) |
| \(3\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) |
| \(4\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
For the position–time diagrams, join each quark’s position entries by straight lines. The two triangular curves are reflections of each other about \(x=0\), and the quarks pass through one another at \(t=2\tau\).
For either phase diagram,
\[ \boxed{\frac{|x_i|}{a}+\frac{|p_i|}{p_*}=1}. \]
Quark 1 starts at \((x,p)=(0,p_*)\), while quark 2 starts at \((0,-p_*)\). Both traverse the diamond clockwise.
At the turning points, the quarks are at opposite extremes, so
\[ \boxed{d_{\max}=2a=\frac{Mc^2}{f}}. \]
Their individual period is
\[ \boxed{T=4\tau=\frac{2Mc}{f}}. \]
3) Motion and maximum separation in the laboratory frame
The given transformation has
\[ \beta=\frac35,\qquad \gamma=\frac54, \]
so
\[ \gamma(1+\beta)=2,\qquad \gamma(1-\beta)=\frac12. \]
A segment with velocity \(u=\pm c\) transforms to
\[ u'=\frac{u+\beta c}{1+\beta u/c}=\pm c. \]
Thus all laboratory trajectory segments also have slopes \(+c\) or \(-c\). We obtain their endpoints by transforming the turning events.
For example, quark 1’s first turn occurs at \((t,x)=(\tau,a)\), with \(a=c\tau\). Therefore
\[ t'=\gamma\tau(1+\beta)=2\tau, \qquad x'=\gamma a(1+\beta)=2a. \]
All four turning events in one cycle are:
| Turning event | \(t'\) | \(x'\) |
|---|---|---|
| Quark 2, first turn | \(\displaystyle \frac{\tau}{2}=\frac{Mc}{4f}\) | \(\displaystyle -\frac a2=-\frac{Mc^2}{4f}\) |
| Quark 1, first turn | \(\displaystyle 2\tau=\frac{Mc}{f}\) | \(\displaystyle 2a=\frac{Mc^2}{f}\) |
| Quark 1, second turn | \(\displaystyle 3\tau=\frac{3Mc}{2f}\) | \(\displaystyle a=\frac{Mc^2}{2f}\) |
| Quark 2, second turn | \(\displaystyle \frac{9\tau}{2}=\frac{9Mc}{4f}\) | \(\displaystyle \frac{7a}{2}=\frac{7Mc^2}{4f}\) |
Both trajectories begin at \((t',x')=(0,0)\). The rest-frame crossing at \((t,x)=(2\tau,0)\) becomes
\[ (t',x')=\left(\frac{5\tau}{2},\frac{3a}{2}\right). \]
The end of the rest-frame cycle, \((4\tau,0)\), becomes
\[ (t',x')=(5\tau,3a). \]
These points and the turning-point table completely specify the laboratory plots: connect the successive points for each quark by straight lines. Subsequent cycles repeat after translating both curves by
\[ \Delta t'=5\tau=\gamma T,\qquad \Delta x'=3a. \]
To find the observed separation, the two positions must be evaluated at the same laboratory time:
\[ d'(t')=|x'_1(t')-x'_2(t')|. \]
Initially,
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=-ct', \]
so the separation grows as \(2ct'\). Quark 2 reverses first, at \(t'=\tau/2\). At that instant,
\[ x'_1=\frac a2,\qquad x'_2=-\frac a2, \]
and hence \(d'=a\).
From \(t'=\tau/2\) to \(t'=2\tau\), both quarks move to the right at speed \(c\):
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=ct'-a. \]
Their separation therefore stays equal to \(a\). It then decreases to zero at \(5\tau/2\), increases back to \(a\) at \(3\tau\), stays at \(a\) until \(9\tau/2\), and decreases to zero at \(5\tau\). This pattern repeats.
Thus
\[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f} =\frac12\,d_{\max}}. \]
The different laboratory reversal times are essential: the two simultaneous rest-frame turning events are not simultaneous in the laboratory.
4) Laboratory energy of the meson
For the complete meson, the total rest-frame momentum is zero and its total energy is \(Mc^2\). Transforming its energy gives
\[ E'=\gamma\bigl(E+\beta cP_x\bigr)=\gamma Mc^2. \]
With the supplied values,
\[ \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-0.60^2}} =\frac{1}{0.80}=1.25, \]
and therefore
\[ \boxed{E'=1.25(140\ \mathrm{MeV})=175\ \mathrm{MeV}}. \]
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1994 · Theorieaufgabe 1
Relativistisches Teilchen
In der speziellen Relativitätstheorie lautet die Beziehung zwischen Energie \(E\) und Impuls \(P\) eines freien Teilchens mit der Ruhemasse \(m_0\)
\[ E=\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}=mc^2 \]
Wirkt auf ein solches Teilchen eine konservative Kraft, so bleibt seine Gesamtenergie, also die Summe aus \(\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}\) und der potenziellen Energie, erhalten. Ist die Energie des Teilchens sehr hoch, kann seine Ruheenergie vernachlässigt werden (ein solches Teilchen nennt man ultrarelativistisch).
1) Betrachten Sie die eindimensionale Bewegung eines Teilchens sehr hoher Energie (dessen Ruheenergie vernachlässigt werden kann) unter dem Einfluss einer anziehenden Zentralkraft mit konstantem Betrag \(f\). Das Teilchen befinde sich zum Zeitpunkt \(t=0\) mit dem Anfangsimpuls \(p_0\) im Kraftzentrum. Beschreiben Sie die Bewegung des Teilchens, indem Sie für mindestens eine Bewegungsperiode getrennt folgende Diagramme zeichnen: \(x\) in Abhängigkeit von der Zeit \(t\) und den Impuls \(p\) in Abhängigkeit von der Ortskoordinate \(x\). Geben Sie die Koordinaten der „Umkehrpunkte“ durch die gegebenen Parameter \(p_0\) und \(f\) an. Kennzeichnen Sie im \((p,x)\)-Diagramm durch Pfeile die Richtung, in der die Bewegung abläuft. Es kann kurze Zeitintervalle geben, in denen das Teilchen nicht ultrarelativistisch ist. Diese sollen jedoch vernachlässigt werden.
Verwenden Sie Antwortblatt 1.
2) Ein Meson ist ein Teilchen, das aus zwei Quarks besteht. Die Ruhemasse \(M\) des Mesons ist gleich der Gesamtenergie des Zwei-Quark-Systems geteilt durch \(c^2\).
Betrachten Sie ein eindimensionales Modell eines ruhenden Mesons, in dem angenommen wird, dass sich die beiden Quarks entlang der \(x\)-Achse bewegen und sich gegenseitig mit einer Kraft konstanten Betrags \(f\) anziehen. Es wird angenommen, dass sie ungehindert durcheinander hindurchtreten können. Bei der Untersuchung der Bewegung der Quarks bei hoher Energie kann deren Ruhemasse vernachlässigt werden. Zum Zeitpunkt \(t=0\) befinden sich beide Quarks bei \(x=0\). Stellen Sie die Bewegung der beiden Quarks jeweils getrennt in einem \((x,t)\)-Diagramm und einem \((p,x)\)-Diagramm grafisch dar, geben Sie die Koordinaten der „Umkehrpunkte“ durch \(M\) und \(f\) an, kennzeichnen Sie die Bewegungsrichtung in Ihrem \((p,x)\)-Diagramm und bestimmen Sie den maximalen Abstand zwischen den beiden Quarks.
Verwenden Sie Antwortblatt 2.
3) Das in Teil 2 verwendete Bezugssystem wird als System \(S\) bezeichnet. Das Laborsystem, das als \(S\) bezeichnet wird, bewegt sich mit einer konstanten Geschwindigkeit \(v=0.6c\) in negativer \(x\)-Richtung. Die Koordinaten in den beiden Bezugssystemen sind so gewählt, dass der Punkt \(x=0\) in \(S\) zum Zeitpunkt \(t=t'=0\) mit dem Punkt \(x'=0\) in \(S''\) zusammenfällt. Stellen Sie die Bewegung der beiden Quarks in einem \((x',t')\)-Diagramm grafisch dar. Geben Sie die Koordinaten der Umkehrpunkte durch \(M\), \(f\) und \(c\) an und bestimmen Sie den maximalen Abstand zwischen den beiden Quarks, der im Laborsystem \(S'\) beobachtet wird.
Verwenden Sie Antwortblatt 3.
Die in den Bezugssystemen \(S\) und \(S''\) beobachteten Koordinaten eines Teilchens sind durch die Lorentz-Transformation miteinander verknüpft:
\[ \begin{cases} x'=\gamma(x+\beta ct),\\[2pt] t'=\gamma\left(t+\beta\dfrac{x}{c}\right) \end{cases} \]
Dabei sind \(\beta=v/c\), \(\gamma=1/\sqrt{1-\beta^2}\), und \(v\) ist die Geschwindigkeit des Systems \(S\) relativ zum System \(S''\).
4) Bestimmen Sie für ein Meson mit der Ruheenergie \(Mc^2=140\ \mathrm{MeV}\) und der Geschwindigkeit \(0.60c\) relativ zum Laborsystem \(S''\) seine Energie \(E'\) im Laborsystem \(S''\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
Wählen wir \(p_0>0\) und definieren \[ \tau_0=\frac{p_0}{f},\qquad A_0=\frac{cp_0}{f}. \] Das Orts-Zeit-Diagramm besteht aus geraden Strecken durch \[ (t,x):\quad (0,0)\to(\tau_0,A_0)\to(2\tau_0,0) \to(3\tau_0,-A_0)\to(4\tau_0,0). \] Die Umkehrpunkte sind \((\tau_0,A_0)\) und \((3\tau_0,-A_0)\), und \[ \boxed{T_1=\frac{4p_0}{f}}. \] Mit \(x\) auf der horizontalen und \(p\) auf der vertikalen Achse ist das Phasendiagramm die im Uhrzeigersinn durchlaufene Raute \[ (x,p):\quad (0,p_0)\to(A_0,0)\to(0,-p_0)\to(-A_0,0)\to(0,p_0). \]
-
Wir definieren \[ p_*=\frac{Mc}{2},\qquad \tau=\frac{Mc}{2f},\qquad a=\frac{Mc^2}{2f}. \] Quark 1 führt die Bewegung aus Teil 1 mit \(p_0=p_*\) aus; für Quark 2 gilt \[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \] Ihre Orte zu den Umkehrzeitpunkten sind \[ t=\tau:\ (x_1,x_2)=(a,-a),\qquad t=3\tau:\ (x_1,x_2)=(-a,a). \] Beide Phasenbahnen durchlaufen dieselbe Raute im Uhrzeigersinn, wobei sie an gegenüberliegenden Eckpunkten auf der Impulsachse beginnen. Somit gilt \[ \boxed{T=\frac{2Mc}{f}},\qquad \boxed{d_{\max}=\frac{Mc^2}{f}}. \]
-
Hier ist \(\gamma=5/4\). In den Koordinaten \((t'/\tau,x'/a)\) sind die folgenden Eckpunkte durch gerade Linien zu verbinden: \[ \begin{aligned} \text{Quark 1:}\quad &(0,0)\to(2,2)\to(3,1)\to(5,3),\\ \text{Quark 2:}\quad &(0,0)\to\left(\tfrac12,-\tfrac12\right) \to\left(\tfrac92,\tfrac72\right)\to(5,3). \end{aligned} \] Die beiden inneren Eckpunkte jeder Bahnkurve sind ihre Umkehrpunkte. Die nachfolgenden Zyklen wiederholen sich jeweils um \((\Delta t',\Delta x')=(5\tau,3a)\) verschoben. Der maximale, zu einem gemeinsamen Laborzeitpunkt gemessene Abstand ist \[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
-
Die Energie des Mesons im Laborsystem ist \[ \boxed{E'=\frac{Mc^2}{\sqrt{1-0.60^2}}=175\ \mathrm{MeV}}. \]
Lösung
In den folgenden Orts-Zeit-Diagrammen wird die Zeit horizontal und der Ort vertikal aufgetragen. In den Phasendiagrammen wird \(x\) horizontal und \(p\) vertikal aufgetragen. Das Laborsystem wird durchgehend mit \(S'\) bezeichnet.
1) Bewegung unter einer Zentralkraft konstanten Betrags
Wir wählen die positive \(x\)-Richtung entlang des Anfangsimpulses, sodass \(p_0>0\). In der ultrarelativistischen Näherung gilt
\[ E_{\mathrm{particle}}\simeq c|p|, \qquad \dot x=\frac{pc^2}{E_{\mathrm{particle}}} \simeq c\,\operatorname{sgn}(p). \]
Das Teilchen bewegt sich somit zwischen den Richtungsumkehrungen mit der Geschwindigkeit \(c\). Die kurzen nicht ultrarelativistischen Zeitintervalle an den Umkehrpunkten werden wie gefordert vernachlässigt.
Die anziehende Kraft und ein zugehöriges Potenzial lauten
\[ \dot p=-f\,\operatorname{sgn}(x), \qquad U(x)=f|x|. \]
Aus der Energieerhaltung folgt
\[ c|p|+f|x|=cp_0. \]
An einem räumlichen Umkehrpunkt ist \(p=0\). Die maximale Auslenkung beträgt daher
\[ A_0=\frac{cp_0}{f}. \]
Zu Beginn gilt \(x>0\), also \(p=p_0-ft\). Die erste Richtungsumkehr erfolgt nach
\[ \tau_0=\frac{p_0}{f}, \]
bei \(x=c\tau_0=A_0\). Die Kraft zeigt weiterhin zum Ursprung, sodass das Teilchen mit negativem Impuls zurückkehrt. Nach dem Durchgang durch den Ursprung wechselt die Kraft ihr Vorzeichen.
Ein vollständiger Zyklus ist:
| \(t\) | \(x\) | \(p\) |
|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(p_0\) |
| \(\tau_0\) | \(A_0\) | \(0\) |
| \(2\tau_0\) | \(0\) | \(-p_0\) |
| \(3\tau_0\) | \(-A_0\) | \(0\) |
| \(4\tau_0\) | \(0\) | \(p_0\) |
Die Ortseinträge werden durch gerade Linien verbunden. Die Steigungen betragen \(+c\) bis \(\tau_0\), \(-c\) von \(\tau_0\) bis \(3\tau_0\) und danach \(+c\). Der Durchgang durch den Ursprung bei \(2\tau_0\) ist keine Richtungsumkehr.
Folglich gilt
\[ \boxed{T_1=4\tau_0=\frac{4p_0}{f}}. \]
Die Phasenkurve folgt unmittelbar aus der Energieerhaltung:
\[ \boxed{\frac{|x|}{A_0}+\frac{|p|}{p_0}=1}. \]
Sie ist eine Raute mit den Eckpunkten \((0,p_0)\), \((A_0,0)\), \((0,-p_0)\) und \((-A_0,0)\). Vom oberen Eckpunkt aus verläuft die Bewegung zum rechten Eckpunkt, dann zum unteren, zum linken und zurück zum oberen Eckpunkt: im Uhrzeigersinn.
Bei einem negativen Anfangsimpuls werden sowohl \(x\) als auch \(p\) gespiegelt; für Amplitude und Periodendauer wird \(|p_0|\) verwendet.
2) Die beiden Quarks im Ruhesystem des Mesons
Wir wählen das Wechselwirkungspotenzial so, dass es verschwindet, wenn sich die Quarks am selben Ort befinden. Für den Abstand \(r=|x_1-x_2|\) gilt
\[ U(r)=fr. \]
Da das Meson ruht, sind die Anfangsimpulse der Quarks betragsgleich und entgegengesetzt gerichtet. Wir bezeichnen das anfangs nach rechts bewegte Quark als Quark 1:
\[ p_1(0)=p_*,\qquad p_2(0)=-p_*. \]
Bei \(t=0\) ist die potenzielle Energie null. Aus der Gesamtenergie folgt daher
\[ Mc^2=2cp_*, \qquad \boxed{p_*=\frac{Mc}{2}}. \]
Aufgrund der Symmetrie gilt zu jeder Zeit
\[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \]
Auf jedes Quark wirkt eine Kraft vom Betrag \(f\), die zum anderen Quark gerichtet ist und damit auch zum Ursprung, solange die Quarks räumlich getrennt sind. Daher führt jedes die in Teil 1 gefundene Bewegung aus, mit
\[ \boxed{\tau=\frac{Mc}{2f}},\qquad \boxed{a=c\tau=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
Die vollständige Energiegleichung bestätigt dies:
\[ Mc^2 =2c|p_1|+f|x_1-x_2| =2\bigl(c|p_1|+f|x_1|\bigr). \]
Die folgende Tabelle legt beide Diagramme für eine Periode fest:
| \(t/\tau\) | \(x_1/a\) | \(p_1/p_*\) | \(x_2/a\) | \(p_2/p_*\) |
|---|---|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
| \(1\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) |
| \(2\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) |
| \(3\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) |
| \(4\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
Für die Orts-Zeit-Diagramme werden die Ortseinträge jedes Quarks durch gerade Linien verbunden. Die beiden dreieckförmigen Kurven sind Spiegelbilder voneinander bezüglich \(x=0\), und die Quarks treten bei \(t=2\tau\) durcheinander hindurch.
Für jedes der beiden Phasendiagramme gilt
\[ \boxed{\frac{|x_i|}{a}+\frac{|p_i|}{p_*}=1}. \]
Quark 1 beginnt bei \((x,p)=(0,p_*)\), Quark 2 dagegen bei \((0,-p_*)\). Beide durchlaufen die Raute im Uhrzeigersinn.
An den Umkehrpunkten befinden sich die Quarks an gegenüberliegenden äußersten Positionen, sodass
\[ \boxed{d_{\max}=2a=\frac{Mc^2}{f}}. \]
Ihre jeweilige Periodendauer beträgt
\[ \boxed{T=4\tau=\frac{2Mc}{f}}. \]
3) Bewegung und maximaler Abstand im Laborsystem
Für die gegebene Transformation gilt
\[ \beta=\frac35,\qquad \gamma=\frac54, \]
also
\[ \gamma(1+\beta)=2,\qquad \gamma(1-\beta)=\frac12. \]
Ein Abschnitt mit der Geschwindigkeit \(u=\pm c\) wird transformiert zu
\[ u'=\frac{u+\beta c}{1+\beta u/c}=\pm c. \]
Somit haben auch alle Bahnabschnitte im Laborsystem die Steigungen \(+c\) oder \(-c\). Ihre Endpunkte erhalten wir durch Transformation der Umkehrereignisse.
Beispielsweise findet die erste Richtungsumkehr von Quark 1 bei \((t,x)=(\tau,a)\) statt, mit \(a=c\tau\). Daher gilt
\[ t'=\gamma\tau(1+\beta)=2\tau, \qquad x'=\gamma a(1+\beta)=2a. \]
Alle vier Umkehrereignisse innerhalb eines Zyklus sind:
| Umkehrereignis | \(t'\) | \(x'\) |
|---|---|---|
| Quark 2, erste Umkehr | \(\displaystyle \frac{\tau}{2}=\frac{Mc}{4f}\) | \(\displaystyle -\frac a2=-\frac{Mc^2}{4f}\) |
| Quark 1, erste Umkehr | \(\displaystyle 2\tau=\frac{Mc}{f}\) | \(\displaystyle 2a=\frac{Mc^2}{f}\) |
| Quark 1, zweite Umkehr | \(\displaystyle 3\tau=\frac{3Mc}{2f}\) | \(\displaystyle a=\frac{Mc^2}{2f}\) |
| Quark 2, zweite Umkehr | \(\displaystyle \frac{9\tau}{2}=\frac{9Mc}{4f}\) | \(\displaystyle \frac{7a}{2}=\frac{7Mc^2}{4f}\) |
Beide Bahnkurven beginnen bei \((t',x')=(0,0)\). Der Durchgang im Ruhesystem bei \((t,x)=(2\tau,0)\) wird zu
\[ (t',x')=\left(\frac{5\tau}{2},\frac{3a}{2}\right). \]
Das Ende des Zyklus im Ruhesystem, \((4\tau,0)\), wird zu
\[ (t',x')=(5\tau,3a). \]
Diese Punkte und die Tabelle der Umkehrpunkte legen die Diagramme im Laborsystem vollständig fest: Die aufeinanderfolgenden Punkte jedes Quarks werden durch gerade Linien verbunden. Die nachfolgenden Zyklen wiederholen sich mit folgender Verschiebung beider Kurven:
\[ \Delta t'=5\tau=\gamma T,\qquad \Delta x'=3a. \]
Um den beobachteten Abstand zu bestimmen, müssen die beiden Orte zur selben Laborzeit ausgewertet werden:
\[ d'(t')=|x'_1(t')-x'_2(t')|. \]
Zu Beginn gilt
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=-ct', \]
sodass der Abstand gemäß \(2ct'\) wächst. Quark 2 kehrt zuerst um, bei \(t'=\tau/2\). In diesem Augenblick gilt
\[ x'_1=\frac a2,\qquad x'_2=-\frac a2, \]
und somit \(d'=a\).
Von \(t'=\tau/2\) bis \(t'=2\tau\) bewegen sich beide Quarks mit der Geschwindigkeit \(c\) nach rechts:
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=ct'-a. \]
Ihr Abstand bleibt daher gleich \(a\). Anschließend nimmt er bis \(5\tau/2\) auf null ab, wächst bis \(3\tau\) wieder auf \(a\), bleibt bis \(9\tau/2\) bei \(a\) und nimmt bis \(5\tau\) auf null ab. Dieses Muster wiederholt sich.
Somit gilt
\[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f} =\frac12\,d_{\max}}. \]
Die unterschiedlichen Umkehrzeitpunkte im Laborsystem sind entscheidend: Die beiden im Ruhesystem gleichzeitigen Umkehrereignisse sind im Laborsystem nicht gleichzeitig.
4) Energie des Mesons im Laborsystem
Für das gesamte Meson ist der Gesamtimpuls im Ruhesystem null, und seine Gesamtenergie beträgt \(Mc^2\). Die Transformation seiner Energie ergibt
\[ E'=\gamma\bigl(E+\beta cP_x\bigr)=\gamma Mc^2. \]
Mit den gegebenen Werten gilt
\[ \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-0.60^2}} =\frac{1}{0.80}=1.25, \]
und daher
\[ \boxed{E'=1.25(140\ \mathrm{MeV})=175\ \mathrm{MeV}}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1994 · Teori sorusu 1
Göreli Parçacık
Özel görelilik kuramında, durgun kütlesi \(m_0\) olan serbest bir parçacığın enerjisi \(E\) ile momentumu \(P\) arasındaki ilişki şöyledir:
\[ E=\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}=mc^2 \]
Böyle bir parçacık korunumlu bir kuvvetin etkisindeyken, \(\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}\) ile potansiyel enerjinin toplamından oluşan toplam enerjisi korunur. Parçacığın enerjisi çok yüksekse durgun enerjisi ihmal edilebilir (böyle bir parçacığa ultra göreli parçacık denir).
1) Büyüklüğü sabit \(f\) olan çekici bir merkezî kuvvetin etkisindeki çok yüksek enerjili bir parçacığın (durgun enerjisinin ihmal edilebildiği) bir boyutlu hareketini ele alınız. Parçacığın \(t=0\) anında, \(p_0\) başlangıç momentumuyla kuvvet merkezinde bulunduğunu varsayınız. Hareketin en az bir periyodu boyunca, \(x\)'in \(t\) zamanına ve \(p\) momentumunun \(x\) konum koordinatına göre grafiklerini ayrı ayrı çizerek parçacığın hareketini betimleyiniz. “Dönüş noktalarının” koordinatlarını verilen \(p_0\) ve \(f\) parametreleri cinsinden belirtiniz. \((p,x)\) diyagramında hareketin ilerleme yönünü oklarla gösteriniz. Parçacığın ultra göreli olmadığı kısa zaman aralıkları olabilir. Ancak bunlar ihmal edilmelidir.
Cevap Kâğıdı 1'i kullanınız.
2) Mezon, iki kuarktan oluşan bir parçacıktır. Mezonun durgun kütlesi \(M\), iki kuarklı sistemin toplam enerjisinin \(c^2\)'ye bölünmesine eşittir.
Durgun bir mezon için, iki kuarkın \(x\) ekseni boyunca hareket ettiğinin ve birbirlerini büyüklüğü sabit \(f\) olan bir kuvvetle çektiğinin varsayıldığı bir boyutlu bir model ele alınız. Kuarkların birbirlerinin içinden serbestçe geçebildiği varsayılmaktadır. Kuarkların yüksek enerjili hareketinin incelenmesinde, kuarkların durgun kütlesi ihmal edilebilir. \(t=0\) anında her iki kuark da \(x=0\) konumundadır. İki kuarkın hareketini bir \((x,t)\) diyagramı ve bir \((p,x)\) diyagramıyla ayrı ayrı grafiksel olarak gösteriniz, “dönüş noktalarının” koordinatlarını \(M\) ve \(f\) cinsinden belirtiniz, \((p,x)\) diyagramınızda hareketin ilerleme yönünü gösteriniz ve iki kuark arasındaki en büyük uzaklığı belirleyiniz.
Cevap Kâğıdı 2'yi kullanınız.
3) 2. kısımda kullanılan referans çerçevesi \(S\) çerçevesi olarak adlandırılacaktır; \(S\) olarak adlandırılan laboratuvar çerçevesi, negatif \(x\) yönünde sabit \(v=0.6c\) hızıyla hareket etmektedir. İki referans çerçevesindeki koordinatlar, \(t=t'=0\) anında \(S\)'deki \(x=0\) noktası \(S''\)'deki \(x'=0\) noktasıyla çakışacak şekilde seçilmiştir. İki kuarkın hareketini bir \((x',t')\) diyagramında grafiksel olarak çiziniz. Dönüş noktalarının koordinatlarını \(M\), \(f\) ve \(c\) cinsinden belirtiniz ve \(S'\) laboratuvar çerçevesinde gözlenen iki kuark arasındaki en büyük uzaklığı belirleyiniz.
Cevap Kâğıdı 3'ü kullanınız.
\(S\) ve \(S''\) referans çerçevelerinde gözlenen parçacığın koordinatları, Lorentz dönüşümüyle birbirine bağlıdır:
\[ \begin{cases} x'=\gamma(x+\beta ct),\\[2pt] t'=\gamma\left(t+\beta\dfrac{x}{c}\right) \end{cases} \]
Burada \(\beta=v/c\), \(\gamma=1/\sqrt{1-\beta^2}\) ve \(v\), \(S\) çerçevesinin \(S''\) çerçevesine göre hareket hızıdır.
4) Durgun enerjisi \(Mc^2=140\ \mathrm{MeV}\) ve \(S''\) laboratuvar çerçevesine göre hızı \(0.60c\) olan bir mezonun, \(S''\) laboratuvar çerçevesindeki \(E'\) enerjisini belirleyiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
\(p_0>0\) seçiniz ve şu tanımları yapınız: \[ \tau_0=\frac{p_0}{f},\qquad A_0=\frac{cp_0}{f}. \] Konum–zaman grafiği, şu noktalardan geçen doğru parçalarından oluşur: \[ (t,x):\quad (0,0)\to(\tau_0,A_0)\to(2\tau_0,0) \to(3\tau_0,-A_0)\to(4\tau_0,0). \] Dönüş noktaları \((\tau_0,A_0)\) ve \((3\tau_0,-A_0)\)'dır ve \[ \boxed{T_1=\frac{4p_0}{f}}. \] \(x\) yatay, \(p\) düşey eksende olmak üzere faz diyagramı, saat yönünde izlenen şu eşkenar dörtgendir: \[ (x,p):\quad (0,p_0)\to(A_0,0)\to(0,-p_0)\to(-A_0,0)\to(0,p_0). \]
-
Şu tanımları yapınız: \[ p_*=\frac{Mc}{2},\qquad \tau=\frac{Mc}{2f},\qquad a=\frac{Mc^2}{2f}. \] Kuark 1, 1. kısımdaki hareketi \(p_0=p_*\) ile yapar; kuark 2 için \[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \] Dönüş anlarındaki konumları şöyledir: \[ t=\tau:\ (x_1,x_2)=(a,-a),\qquad t=3\tau:\ (x_1,x_2)=(-a,a). \] Her iki faz yörüngesi, momentum ekseni üzerindeki karşılıklı köşelerden başlayarak aynı eşkenar dörtgeni saat yönünde izler. Dolayısıyla \[ \boxed{T=\frac{2Mc}{f}},\qquad \boxed{d_{\max}=\frac{Mc^2}{f}}. \]
-
Burada \(\gamma=5/4\)'tür. \((t'/\tau,x'/a)\) koordinatlarında, aşağıdaki köşeleri doğru parçalarıyla birleştiriniz: \[ \begin{aligned} \text{Kuark 1:}\quad &(0,0)\to(2,2)\to(3,1)\to(5,3),\\ \text{Kuark 2:}\quad &(0,0)\to\left(\tfrac12,-\tfrac12\right) \to\left(\tfrac92,\tfrac72\right)\to(5,3). \end{aligned} \] Her yörüngenin iki iç köşesi, o yörüngenin dönüş noktalarıdır. Sonraki çevrimler, \((\Delta t',\Delta x')=(5\tau,3a)\) ötelemesiyle tekrarlanır. Laboratuvarda aynı anda ölçülen en büyük uzaklık \[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
-
Mezonun laboratuvardaki enerjisi \[ \boxed{E'=\frac{Mc^2}{\sqrt{1-0.60^2}}=175\ \mathrm{MeV}}. \]
Çözüm
Aşağıdaki konum–zaman grafiklerinde zaman yatay, konum düşey eksendedir. Faz diyagramlarında \(x\) yatay, \(p\) düşey eksendedir. Laboratuvar çerçevesi tutarlı olarak \(S'\) ile gösterilmiştir.
1) Büyüklüğü sabit merkezî kuvvetin etkisindeki hareket
Pozitif \(x\) yönünü başlangıç momentumunun yönünde seçelim; böylece \(p_0>0\) olur. Ultra göreli yaklaşımda,
\[ E_{\mathrm{particle}}\simeq c|p|, \qquad \dot x=\frac{pc^2}{E_{\mathrm{particle}}} \simeq c\,\operatorname{sgn}(p). \]
Dolayısıyla parçacık, yön değiştirmeler arasında \(c\) süratiyle hareket eder. Dönüş noktalarında ultra göreli olmadığı kısa zaman aralıkları, istendiği gibi ihmal edilir.
Çekici kuvvet ve buna karşılık gelen bir potansiyel şöyledir:
\[ \dot p=-f\,\operatorname{sgn}(x), \qquad U(x)=f|x|. \]
Enerjinin korunumundan
\[ c|p|+f|x|=cp_0. \]
Konumdaki bir dönüş noktasında \(p=0\) olduğundan en büyük yer değiştirme
\[ A_0=\frac{cp_0}{f}. \]
Başlangıçta \(x>0\) olduğundan \(p=p_0-ft\) olur. İlk yön değiştirme,
\[ \tau_0=\frac{p_0}{f}, \]
süresi sonunda, \(x=c\tau_0=A_0\) konumunda gerçekleşir. Kuvvet orijine yönelmeye devam ettiği için parçacık negatif momentumla geri döner. Orijini geçtikten sonra kuvvet işaret değiştirir.
Tam bir çevrim şöyledir:
| \(t\) | \(x\) | \(p\) |
|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(p_0\) |
| \(\tau_0\) | \(A_0\) | \(0\) |
| \(2\tau_0\) | \(0\) | \(-p_0\) |
| \(3\tau_0\) | \(-A_0\) | \(0\) |
| \(4\tau_0\) | \(0\) | \(p_0\) |
Konum değerlerini doğru parçalarıyla birleştiriniz. Eğimler \(\tau_0\)'a kadar \(+c\), \(\tau_0\)'dan \(3\tau_0\)'a kadar \(-c\) ve sonrasında \(+c\)'dir. \(2\tau_0\) anında orijinden geçiş bir yön değiştirme değildir.
Buna göre,
\[ \boxed{T_1=4\tau_0=\frac{4p_0}{f}}. \]
Faz eğrisi doğrudan enerjinin korunumundan elde edilir:
\[ \boxed{\frac{|x|}{A_0}+\frac{|p|}{p_0}=1}. \]
Bu, köşeleri \((0,p_0)\), \((A_0,0)\), \((0,-p_0)\) ve \((-A_0,0)\) olan bir eşkenar dörtgendir. Üst köşeden başlayan hareket, sağ köşeye, ardından alt köşeye, sonra sol köşeye ve yeniden üst köşeye doğru, yani saat yönünde ilerler.
Başlangıç momentumunun işareti negatifse hem \(x\)'in hem de \(p\)'nin işaretini ters çeviriniz; genlik ve periyot için \(|p_0|\) kullanılır.
2) Mezonun durgunluk çerçevesindeki iki kuark
Kuarklar aynı konumdayken etkileşim potansiyelini sıfır alalım. Aralarındaki uzaklık \(r=|x_1-x_2|\) için,
\[ U(r)=fr. \]
Mezon durgun olduğundan kuarkların başlangıç momentumları eşit büyüklükte ve zıt yönlüdür. Başlangıçta sağa hareket eden kuarkı kuark 1 olarak adlandıralım:
\[ p_1(0)=p_*,\qquad p_2(0)=-p_*. \]
\(t=0\) anında potansiyel enerji sıfırdır. Dolayısıyla toplam enerjiden
\[ Mc^2=2cp_*, \qquad \boxed{p_*=\frac{Mc}{2}}. \]
Simetri nedeniyle şu ilişkiler korunur:
\[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \]
Her kuarka, diğer kuarka doğru yönelmiş, büyüklüğü \(f\) olan bir kuvvet etki eder; kuarklar birbirinden ayrı konumlardayken bu kuvvet aynı zamanda orijine doğrudur. Bu nedenle her biri, 1. kısımda bulunan hareketi şu değerlerle yapar:
\[ \boxed{\tau=\frac{Mc}{2f}},\qquad \boxed{a=c\tau=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
Toplam enerji denklemi de bunu doğrular:
\[ Mc^2 =2c|p_1|+f|x_1-x_2| =2\bigl(c|p_1|+f|x_1|\bigr). \]
Aşağıdaki tablo, bir periyot boyunca her iki grafiği de belirler:
| \(t/\tau\) | \(x_1/a\) | \(p_1/p_*\) | \(x_2/a\) | \(p_2/p_*\) |
|---|---|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
| \(1\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) |
| \(2\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) |
| \(3\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) |
| \(4\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
Konum–zaman diyagramları için her kuarkın konum değerlerini doğru parçalarıyla birleştiriniz. Üçgen biçimli iki eğri, \(x=0\)'a göre birbirinin yansımasıdır ve kuarklar \(t=2\tau\) anında birbirlerinin içinden geçer.
Her iki faz diyagramı için de
\[ \boxed{\frac{|x_i|}{a}+\frac{|p_i|}{p_*}=1}. \]
Kuark 1, \((x,p)=(0,p_*)\) noktasından, kuark 2 ise \((0,-p_*)\) noktasından başlar. Her ikisi de eşkenar dörtgeni saat yönünde izler.
Dönüş noktalarında kuarklar karşılıklı uç konumlarda bulunur; dolayısıyla
\[ \boxed{d_{\max}=2a=\frac{Mc^2}{f}}. \]
Her birinin periyodu
\[ \boxed{T=4\tau=\frac{2Mc}{f}}. \]
3) Laboratuvar çerçevesinde hareket ve en büyük uzaklık
Verilen dönüşümde
\[ \beta=\frac35,\qquad \gamma=\frac54, \]
olduğundan
\[ \gamma(1+\beta)=2,\qquad \gamma(1-\beta)=\frac12. \]
Hızın \(u=\pm c\) olduğu bir parça için dönüşüm
\[ u'=\frac{u+\beta c}{1+\beta u/c}=\pm c. \]
Dolayısıyla laboratuvardaki tüm yörünge parçalarının eğimleri de \(+c\) veya \(-c\)'dir. Uç noktalarını, dönüş olaylarına dönüşüm uygulayarak elde ederiz.
Örneğin, kuark 1'in ilk dönüşü \((t,x)=(\tau,a)\) noktasında gerçekleşir ve \(a=c\tau\)'dur. Dolayısıyla
\[ t'=\gamma\tau(1+\beta)=2\tau, \qquad x'=\gamma a(1+\beta)=2a. \]
Bir çevrimdeki dört dönüş olayının tümü şöyledir:
| Dönüş olayı | \(t'\) | \(x'\) |
|---|---|---|
| Kuark 2, ilk dönüş | \(\displaystyle \frac{\tau}{2}=\frac{Mc}{4f}\) | \(\displaystyle -\frac a2=-\frac{Mc^2}{4f}\) |
| Kuark 1, ilk dönüş | \(\displaystyle 2\tau=\frac{Mc}{f}\) | \(\displaystyle 2a=\frac{Mc^2}{f}\) |
| Kuark 1, ikinci dönüş | \(\displaystyle 3\tau=\frac{3Mc}{2f}\) | \(\displaystyle a=\frac{Mc^2}{2f}\) |
| Kuark 2, ikinci dönüş | \(\displaystyle \frac{9\tau}{2}=\frac{9Mc}{4f}\) | \(\displaystyle \frac{7a}{2}=\frac{7Mc^2}{4f}\) |
Her iki yörünge de \((t',x')=(0,0)\) noktasında başlar. Durgunluk çerçevesinde \((t,x)=(2\tau,0)\) noktasındaki karşılaşma şu noktaya dönüşür:
\[ (t',x')=\left(\frac{5\tau}{2},\frac{3a}{2}\right). \]
Durgunluk çerçevesindeki çevrimin sonu olan \((4\tau,0)\) noktası ise şu noktaya dönüşür:
\[ (t',x')=(5\tau,3a). \]
Bu noktalar ve dönüş noktaları tablosu, laboratuvar grafiklerini tamamen belirler: her kuark için ardışık noktaları doğru parçalarıyla birleştiriniz. Sonraki çevrimler, her iki eğrinin şu miktarlarda ötelenmesiyle tekrarlanır:
\[ \Delta t'=5\tau=\gamma T,\qquad \Delta x'=3a. \]
Gözlenen uzaklığı bulmak için iki konumun aynı laboratuvar anında değerlendirilmesi gerekir:
\[ d'(t')=|x'_1(t')-x'_2(t')|. \]
Başlangıçta,
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=-ct', \]
olduğundan aralarındaki uzaklık \(2ct'\) olarak artar. Önce kuark 2, \(t'=\tau/2\) anında yön değiştirir. O anda,
\[ x'_1=\frac a2,\qquad x'_2=-\frac a2, \]
ve dolayısıyla \(d'=a\) olur.
\(t'=\tau/2\)'den \(t'=2\tau\)'ya kadar her iki kuark da \(c\) süratiyle sağa hareket eder:
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=ct'-a. \]
Dolayısıyla aralarındaki uzaklık \(a\)'ya eşit kalır. Ardından \(5\tau/2\) anında sıfıra iner, \(3\tau\) anında yeniden \(a\)'ya çıkar, \(9\tau/2\)'ye kadar \(a\)'da kalır ve \(5\tau\) anında sıfıra iner. Bu örüntü tekrarlanır.
Böylece
\[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f} =\frac12\,d_{\max}}. \]
Laboratuvardaki yön değiştirme anlarının farklı olması belirleyicidir: durgunluk çerçevesinde eşzamanlı olan iki dönüş olayı laboratuvarda eşzamanlı değildir.
4) Mezonun laboratuvardaki enerjisi
Mezonun bütünü için durgunluk çerçevesindeki toplam momentum sıfır, toplam enerji ise \(Mc^2\)'dir. Enerjisine dönüşüm uygulandığında
\[ E'=\gamma\bigl(E+\beta cP_x\bigr)=\gamma Mc^2. \]
Verilen değerlerle,
\[ \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-0.60^2}} =\frac{1}{0.80}=1.25, \]
ve dolayısıyla
\[ \boxed{E'=1.25(140\ \mathrm{MeV})=175\ \mathrm{MeV}}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1994 · Problema teórico 1
Partícula relativista
En la teoría de la relatividad especial, la relación entre la energía \(E\) y el momento lineal \(P\) de una partícula libre de masa en reposo \(m_0\) es
\[ E=\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}=mc^2 \]
Cuando una partícula de este tipo está sometida a una fuerza conservativa, se conserva su energía total, que es la suma de \(\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}\) y la energía potencial. Si la energía de la partícula es muy elevada, puede despreciarse su energía en reposo (una partícula de este tipo se denomina partícula ultrarrelativista).
1) Considere el movimiento unidimensional de una partícula de energía muy elevada (cuya energía en reposo puede despreciarse) sometida a una fuerza central atractiva de módulo constante \(f\). Suponga que la partícula se encuentra en el centro de fuerzas con un momento lineal inicial \(p_0\) en el instante \(t=0\). Describa el movimiento de la partícula representando por separado, durante al menos un período del movimiento: \(x\) en función del tiempo \(t\), y el momento lineal \(p\) en función de la coordenada espacial \(x\). Especifique las coordenadas de los «puntos de retorno» en función de los parámetros dados \(p_0\) y \(f\). Indique mediante flechas el sentido en que transcurre el movimiento en el diagrama \((p,x)\). Puede haber intervalos breves de tiempo durante los cuales la partícula no sea ultrarrelativista. Sin embargo, deben despreciarse.
Utilice la hoja de respuestas 1.
2) Un mesón es una partícula formada por dos quarks. La masa en reposo \(M\) del mesón es igual a la energía total del sistema de dos quarks dividida por \(c^2\).
Considere un modelo unidimensional de un mesón en reposo, en el que se supone que los dos quarks se mueven a lo largo del eje \(x\) y se atraen con una fuerza de módulo constante \(f\). Se supone que pueden atravesarse libremente. Para analizar el movimiento de alta energía de los quarks, puede despreciarse su masa en reposo. En el instante \(t=0\), ambos quarks se encuentran en \(x=0\). Represente gráficamente por separado el movimiento de los dos quarks mediante un diagrama \((x,t)\) y un diagrama \((p,x)\), especifique las coordenadas de los «puntos de retorno» en función de \(M\) y \(f\), indique el sentido en que transcurre el movimiento en su diagrama \((p,x)\) y determine la distancia máxima entre los dos quarks.
Utilice la hoja de respuestas 2.
3) El sistema de referencia utilizado en la parte 2 se denominará sistema \(S\); el sistema de laboratorio, denominado \(S\), se mueve en el sentido negativo del eje \(x\) con una velocidad constante \(v=0.6c\). Las coordenadas de los dos sistemas de referencia se eligen de modo que el punto \(x=0\) de \(S\) coincida con el punto \(x'=0\) de \(S''\) en el instante \(t=t'=0\). Represente gráficamente el movimiento de los dos quarks en un diagrama \((x',t')\). Especifique las coordenadas de los puntos de retorno en función de \(M\), \(f\) y \(c\), y determine la distancia máxima entre los dos quarks observada en el sistema de laboratorio \(S'\).
Utilice la hoja de respuestas 3.
Las coordenadas de una partícula observada en los sistemas de referencia \(S\) y \(S''\) están relacionadas por la transformación de Lorentz
\[ \begin{cases} x'=\gamma(x+\beta ct),\\[2pt] t'=\gamma\left(t+\beta\dfrac{x}{c}\right) \end{cases} \]
donde \(\beta=v/c\), \(\gamma=1/\sqrt{1-\beta^2}\) y \(v\) es la velocidad con la que se mueve el sistema \(S\) respecto al sistema \(S''\).
4) Para un mesón con energía en reposo \(Mc^2=140\ \mathrm{MeV}\) y velocidad \(0.60c\) respecto al sistema de laboratorio \(S''\), determine su energía \(E'\) en el sistema de laboratorio \(S''\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
Elija \(p_0>0\) y defina \[ \tau_0=\frac{p_0}{f},\qquad A_0=\frac{cp_0}{f}. \] La gráfica de posición en función del tiempo consta de segmentos rectos que pasan por \[ (t,x):\quad (0,0)\to(\tau_0,A_0)\to(2\tau_0,0) \to(3\tau_0,-A_0)\to(4\tau_0,0). \] Los puntos de retorno son \((\tau_0,A_0)\) y \((3\tau_0,-A_0)\), y \[ \boxed{T_1=\frac{4p_0}{f}}. \] Con \(x\) en el eje horizontal y \(p\) en el vertical, el diagrama de fases es el rombo recorrido en sentido horario \[ (x,p):\quad (0,p_0)\to(A_0,0)\to(0,-p_0)\to(-A_0,0)\to(0,p_0). \]
-
Defina \[ p_*=\frac{Mc}{2},\qquad \tau=\frac{Mc}{2f},\qquad a=\frac{Mc^2}{2f}. \] El quark 1 sigue el movimiento de la parte 1 con \(p_0=p_*\); para el quark 2 se cumple \[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \] Sus posiciones en los instantes de retorno son \[ t=\tau:\ (x_1,x_2)=(a,-a),\qquad t=3\tau:\ (x_1,x_2)=(-a,a). \] Ambas trayectorias de fase recorren el mismo rombo en sentido horario, partiendo de vértices opuestos del eje del momento lineal. Por tanto, \[ \boxed{T=\frac{2Mc}{f}},\qquad \boxed{d_{\max}=\frac{Mc^2}{f}}. \]
-
Aquí \(\gamma=5/4\). En las coordenadas \((t'/\tau,x'/a)\), una los siguientes vértices mediante líneas rectas: \[ \begin{aligned} \text{Quark 1:}\quad &(0,0)\to(2,2)\to(3,1)\to(5,3),\\ \text{Quark 2:}\quad &(0,0)\to\left(\tfrac12,-\tfrac12\right) \to\left(\tfrac92,\tfrac72\right)\to(5,3). \end{aligned} \] Los dos vértices interiores de cada trayectoria son sus puntos de retorno. Los ciclos siguientes se repiten tras una traslación \((\Delta t',\Delta x')=(5\tau,3a)\). La separación máxima medida simultáneamente en el laboratorio es \[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
-
La energía del mesón en el laboratorio es \[ \boxed{E'=\frac{Mc^2}{\sqrt{1-0.60^2}}=175\ \mathrm{MeV}}. \]
Solución
Las gráficas de posición en función del tiempo que se describen a continuación utilizan el tiempo en el eje horizontal y la posición en el vertical. Los diagramas de fases utilizan \(x\) en el eje horizontal y \(p\) en el vertical. El sistema de laboratorio se denota de forma coherente por \(S'\).
1) Movimiento bajo la fuerza central de módulo constante
Elijamos el sentido positivo del eje \(x\) en el sentido del momento lineal inicial, de modo que \(p_0>0\). En la aproximación ultrarrelativista,
\[ E_{\mathrm{particle}}\simeq c|p|, \qquad \dot x=\frac{pc^2}{E_{\mathrm{particle}}} \simeq c\,\operatorname{sgn}(p). \]
Así, la partícula se mueve con rapidez \(c\) entre cambios de sentido. Se desprecian los breves intervalos no ultrarrelativistas en los puntos de retorno, tal como se indica.
La fuerza atractiva y un potencial correspondiente son
\[ \dot p=-f\,\operatorname{sgn}(x), \qquad U(x)=f|x|. \]
La conservación de la energía da
\[ c|p|+f|x|=cp_0. \]
En un punto de retorno espacial, \(p=0\), por lo que el desplazamiento máximo es
\[ A_0=\frac{cp_0}{f}. \]
Inicialmente, \(x>0\), de modo que \(p=p_0-ft\). El primer cambio de sentido se produce al cabo de
\[ \tau_0=\frac{p_0}{f}, \]
en \(x=c\tau_0=A_0\). La fuerza sigue apuntando hacia el origen, por lo que la partícula regresa con momento lineal negativo. Tras cruzar el origen, la fuerza cambia de signo.
Un ciclo completo es:
| \(t\) | \(x\) | \(p\) |
|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(p_0\) |
| \(\tau_0\) | \(A_0\) | \(0\) |
| \(2\tau_0\) | \(0\) | \(-p_0\) |
| \(3\tau_0\) | \(-A_0\) | \(0\) |
| \(4\tau_0\) | \(0\) | \(p_0\) |
Una los puntos correspondientes a las posiciones mediante líneas rectas. Las pendientes son \(+c\) hasta \(\tau_0\), \(-c\) desde \(\tau_0\) hasta \(3\tau_0\), y \(+c\) a partir de entonces. El paso por el origen en \(2\tau_0\) no es un cambio de sentido.
Por consiguiente,
\[ \boxed{T_1=4\tau_0=\frac{4p_0}{f}}. \]
La curva de fase se obtiene directamente de la conservación de la energía:
\[ \boxed{\frac{|x|}{A_0}+\frac{|p|}{p_0}=1}. \]
Es un rombo con vértices \((0,p_0)\), \((A_0,0)\), \((0,-p_0)\) y \((-A_0,0)\). Partiendo del vértice superior, el movimiento avanza hacia el vértice derecho, después hacia el inferior, luego hacia el izquierdo y vuelve al superior: en sentido horario.
Para un momento lineal inicial de signo negativo, invierta los signos tanto de \(x\) como de \(p\); en las expresiones de la amplitud y del período se utiliza \(|p_0|\).
2) Los dos quarks en el sistema de reposo del mesón
Tomemos el potencial de interacción igual a cero cuando los quarks coinciden. Para una separación \(r=|x_1-x_2|\),
\[ U(r)=fr. \]
Como el mesón está en reposo, los momentos lineales iniciales de los quarks son iguales en módulo y opuestos. Denominemos quark 1 al que inicialmente se mueve hacia la derecha:
\[ p_1(0)=p_*,\qquad p_2(0)=-p_*. \]
En \(t=0\), la energía potencial es cero. Por tanto, la energía total da
\[ Mc^2=2cp_*, \qquad \boxed{p_*=\frac{Mc}{2}}. \]
Por simetría, se mantiene
\[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \]
Cada quark experimenta una fuerza de módulo \(f\) dirigida hacia el otro quark, que también apunta hacia el origen mientras están separados. Por tanto, cada uno sigue el movimiento obtenido en la parte 1, con
\[ \boxed{\tau=\frac{Mc}{2f}},\qquad \boxed{a=c\tau=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
La ecuación completa de la energía lo confirma:
\[ Mc^2 =2c|p_1|+f|x_1-x_2| =2\bigl(c|p_1|+f|x_1|\bigr). \]
La siguiente tabla especifica ambas gráficas durante un período:
| \(t/\tau\) | \(x_1/a\) | \(p_1/p_*\) | \(x_2/a\) | \(p_2/p_*\) |
|---|---|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
| \(1\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) |
| \(2\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) |
| \(3\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) |
| \(4\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
Para los diagramas de posición en función del tiempo, una mediante líneas rectas los puntos correspondientes a las posiciones de cada quark. Las dos curvas triangulares son simétricas entre sí respecto a \(x=0\), y los quarks se atraviesan en \(t=2\tau\).
Para cualquiera de los dos diagramas de fases,
\[ \boxed{\frac{|x_i|}{a}+\frac{|p_i|}{p_*}=1}. \]
El quark 1 parte de \((x,p)=(0,p_*)\), mientras que el quark 2 parte de \((0,-p_*)\). Ambos recorren el rombo en sentido horario.
En los puntos de retorno, los quarks se encuentran en extremos opuestos, por lo que
\[ \boxed{d_{\max}=2a=\frac{Mc^2}{f}}. \]
Su período individual es
\[ \boxed{T=4\tau=\frac{2Mc}{f}}. \]
3) Movimiento y separación máxima en el sistema de laboratorio
En la transformación dada,
\[ \beta=\frac35,\qquad \gamma=\frac54, \]
por lo que
\[ \gamma(1+\beta)=2,\qquad \gamma(1-\beta)=\frac12. \]
Un segmento con velocidad \(u=\pm c\) se transforma en
\[ u'=\frac{u+\beta c}{1+\beta u/c}=\pm c. \]
Así, todos los segmentos de las trayectorias en el laboratorio también tienen pendientes \(+c\) o \(-c\). Obtenemos sus extremos transformando los sucesos de retorno.
Por ejemplo, el primer cambio de sentido del quark 1 se produce en \((t,x)=(\tau,a)\), con \(a=c\tau\). Por tanto,
\[ t'=\gamma\tau(1+\beta)=2\tau, \qquad x'=\gamma a(1+\beta)=2a. \]
Los cuatro sucesos de retorno de un ciclo son:
| Suceso de retorno | \(t'\) | \(x'\) |
|---|---|---|
| Quark 2, primer cambio de sentido | \(\displaystyle \frac{\tau}{2}=\frac{Mc}{4f}\) | \(\displaystyle -\frac a2=-\frac{Mc^2}{4f}\) |
| Quark 1, primer cambio de sentido | \(\displaystyle 2\tau=\frac{Mc}{f}\) | \(\displaystyle 2a=\frac{Mc^2}{f}\) |
| Quark 1, segundo cambio de sentido | \(\displaystyle 3\tau=\frac{3Mc}{2f}\) | \(\displaystyle a=\frac{Mc^2}{2f}\) |
| Quark 2, segundo cambio de sentido | \(\displaystyle \frac{9\tau}{2}=\frac{9Mc}{4f}\) | \(\displaystyle \frac{7a}{2}=\frac{7Mc^2}{4f}\) |
Ambas trayectorias comienzan en \((t',x')=(0,0)\). El cruce en \((t,x)=(2\tau,0)\) en el sistema de reposo se transforma en
\[ (t',x')=\left(\frac{5\tau}{2},\frac{3a}{2}\right). \]
El final del ciclo en el sistema de reposo, \((4\tau,0)\), se transforma en
\[ (t',x')=(5\tau,3a). \]
Estos puntos y la tabla de puntos de retorno especifican por completo las gráficas en el laboratorio: conecte mediante líneas rectas los puntos sucesivos de cada quark. Los ciclos siguientes se repiten tras trasladar ambas curvas en
\[ \Delta t'=5\tau=\gamma T,\qquad \Delta x'=3a. \]
Para hallar la separación observada, las dos posiciones deben evaluarse en el mismo instante del laboratorio:
\[ d'(t')=|x'_1(t')-x'_2(t')|. \]
Inicialmente,
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=-ct', \]
por lo que la separación crece como \(2ct'\). El quark 2 cambia de sentido primero, en \(t'=\tau/2\). En ese instante,
\[ x'_1=\frac a2,\qquad x'_2=-\frac a2, \]
y, por tanto, \(d'=a\).
Desde \(t'=\tau/2\) hasta \(t'=2\tau\), ambos quarks se mueven hacia la derecha con rapidez \(c\):
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=ct'-a. \]
Por tanto, su separación se mantiene igual a \(a\). Después disminuye hasta cero en \(5\tau/2\), vuelve a aumentar hasta \(a\) en \(3\tau\), se mantiene en \(a\) hasta \(9\tau/2\) y disminuye hasta cero en \(5\tau\). Este patrón se repite.
Así,
\[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f} =\frac12\,d_{\max}}. \]
La diferencia entre los instantes de cambio de sentido en el laboratorio es esencial: los dos sucesos de retorno simultáneos en el sistema de reposo no son simultáneos en el laboratorio.
4) Energía del mesón en el laboratorio
Para el mesón completo, el momento lineal total en el sistema de reposo es cero y su energía total es \(Mc^2\). Al transformar su energía se obtiene
\[ E'=\gamma\bigl(E+\beta cP_x\bigr)=\gamma Mc^2. \]
Con los valores proporcionados,
\[ \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-0.60^2}} =\frac{1}{0.80}=1.25, \]
y, por tanto,
\[ \boxed{E'=1.25(140\ \mathrm{MeV})=175\ \mathrm{MeV}}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1994 · 理论题 1
相对论粒子
在狭义相对论中,静止质量为 \(m_0\) 的自由粒子的能量 \(E\) 与动量 \(P\) 之间的关系为
\[ E=\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}=mc^2 \]
当这样的粒子受到保守力作用时,粒子的总能量,即 \(\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}\) 与势能之和,保持不变。如果粒子的能量非常高,就可以忽略其静止能量(这样的粒子称为超相对论粒子)。
1) 考虑一个能量非常高的粒子(其静止能量可以忽略)在大小恒为 \(f\) 的吸引性有心力作用下的一维运动。设在 \(t=0\) 时,粒子位于力心,初始动量为 \(p_0\)。分别绘制至少一个运动周期内的位置 \(x\) 随时间 \(t\) 变化的图像,以及动量 \(p\) 随空间坐标 \(x\) 变化的图像,以描述粒子的运动。用给定参数 \(p_0\) 和 \(f\) 表示“转向点”的坐标。在 \((p,x)\) 图中用箭头标出运动的进行方向。粒子可能在某些短暂的时间间隔内不满足超相对论条件,但应忽略这些时间间隔。
请使用答题纸 1。
2) 介子是由两个夸克组成的粒子。介子的静止质量 \(M\) 等于这两个夸克组成的系统的总能量除以 \(c^2\)。
考虑一个静止介子的一维模型,假设其中的两个夸克沿 \(x\) 轴运动,并以大小恒为 \(f\) 的力相互吸引。假设它们可以自由地穿过彼此。在分析夸克的高能运动时,可以忽略夸克的静止质量。在 \(t=0\) 时,两个夸克都位于 \(x=0\)。分别用 \((x,t)\) 图和 \((p,x)\) 图表示两个夸克的运动,用 \(M\) 和 \(f\) 表示“转向点”的坐标,在 \((p,x)\) 图中标出运动的进行方向,并求出两个夸克之间的最大距离。
请使用答题纸 2。
3) 将第 2 部分所用的参考系称为 \(S\) 系,实验室参考系称为 \(S\),它以恒定速度 \(v=0.6c\) 沿 \(x\) 轴负方向运动。两个参考系的坐标选取为:在 \(t=t'=0\) 时,\(S\) 系中 \(x=0\) 的点与 \(S''\) 系中 \(x'=0\) 的点重合。在 \((x',t')\) 图中绘出两个夸克的运动。用 \(M\)、\(f\) 和 \(c\) 表示转向点的坐标,并求出在实验室参考系 \(S'\) 中观测到的两个夸克之间的最大距离。
请使用答题纸 3。
在参考系 \(S\) 和 \(S''\) 中观测到的粒子坐标由洛伦兹变换联系起来:
\[ \begin{cases} x'=\gamma(x+\beta ct),\\[2pt] t'=\gamma\left(t+\beta\dfrac{x}{c}\right) \end{cases} \]
其中,\(\beta=v/c\),\(\gamma=1/\sqrt{1-\beta^2}\),\(v\) 是参考系 \(S\) 相对于参考系 \(S''\) 的运动速度。
4) 一个介子的静止能量为 \(Mc^2=140\ \mathrm{MeV}\),相对于实验室参考系 \(S''\) 的速度为 \(0.60c\),求它在实验室参考系 \(S''\) 中的能量 \(E'\)。
题目译自官方英文原文。
答案
-
取 \(p_0>0\),并定义 \[ \tau_0=\frac{p_0}{f},\qquad A_0=\frac{cp_0}{f}. \] 位置—时间图像由依次通过下列各点的直线段组成: \[ (t,x):\quad (0,0)\to(\tau_0,A_0)\to(2\tau_0,0) \to(3\tau_0,-A_0)\to(4\tau_0,0). \] 转向点为 \((\tau_0,A_0)\) 和 \((3\tau_0,-A_0)\),且 \[ \boxed{T_1=\frac{4p_0}{f}}. \] 以 \(x\) 为横轴、\(p\) 为纵轴,相图为沿顺时针方向行进的菱形: \[ (x,p):\quad (0,p_0)\to(A_0,0)\to(0,-p_0)\to(-A_0,0)\to(0,p_0). \]
-
定义 \[ p_*=\frac{Mc}{2},\qquad \tau=\frac{Mc}{2f},\qquad a=\frac{Mc^2}{2f}. \] 夸克 1 的运动与第 1 部分中取 \(p_0=p_*\) 时的运动相同;夸克 2 满足 \[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \] 它们在转向时刻的位置为 \[ t=\tau:\ (x_1,x_2)=(a,-a),\qquad t=3\tau:\ (x_1,x_2)=(-a,a). \] 两条相轨迹从动量相反的两个顶点出发,沿同一个菱形顺时针行进。因此 \[ \boxed{T=\frac{2Mc}{f}},\qquad \boxed{d_{\max}=\frac{Mc^2}{f}}. \]
-
此处 \(\gamma=5/4\)。在坐标 \((t'/\tau,x'/a)\) 中,用直线依次连接下列顶点: \[ \begin{aligned} \text{夸克 1:}\quad &(0,0)\to(2,2)\to(3,1)\to(5,3),\\ \text{夸克 2:}\quad &(0,0)\to\left(\tfrac12,-\tfrac12\right) \to\left(\tfrac92,\tfrac72\right)\to(5,3). \end{aligned} \] 每条轨迹的两个内部顶点就是其转向点。后续各周期的轨迹由平移 \((\Delta t',\Delta x')=(5\tau,3a)\) 后重复得到。实验室系中同一时刻测得的最大间距为 \[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
-
介子在实验室系中的能量为 \[ \boxed{E'=\frac{Mc^2}{\sqrt{1-0.60^2}}=175\ \mathrm{MeV}}. \]
解答
下文的位置—时间图像以时间为横轴、位置为纵轴。相图以 \(x\) 为横轴、\(p\) 为纵轴。实验室参考系统一记为 \(S'\)。
1) 大小恒定的有心力作用下的运动
选取初始动量方向为 \(x\) 轴正方向,因此 \(p_0>0\)。在超相对论近似下,
\[ E_{\mathrm{particle}}\simeq c|p|, \qquad \dot x=\frac{pc^2}{E_{\mathrm{particle}}} \simeq c\,\operatorname{sgn}(p). \]
因此,粒子在两次转向之间以速率 \(c\) 运动。按照题目要求,忽略转向点附近不满足超相对论条件的短暂时间间隔。
吸引力及其对应的一个势能函数为
\[ \dot p=-f\,\operatorname{sgn}(x), \qquad U(x)=f|x|. \]
由能量守恒可得
\[ c|p|+f|x|=cp_0. \]
在空间中的转向点处,\(p=0\),因此最大位移为
\[ A_0=\frac{cp_0}{f}. \]
运动开始后,\(x>0\),因此 \(p=p_0-ft\)。第一次转向发生在经过时间
\[ \tau_0=\frac{p_0}{f}, \]
之后,此时 \(x=c\tau_0=A_0\)。力仍然指向原点,因此粒子以负动量返回。穿过原点后,力的符号改变。
一个完整周期如下:
| \(t\) | \(x\) | \(p\) |
|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(p_0\) |
| \(\tau_0\) | \(A_0\) | \(0\) |
| \(2\tau_0\) | \(0\) | \(-p_0\) |
| \(3\tau_0\) | \(-A_0\) | \(0\) |
| \(4\tau_0\) | \(0\) | \(p_0\) |
用直线依次连接表中的位置点。在 \(\tau_0\) 之前斜率为 \(+c\),从 \(\tau_0\) 到 \(3\tau_0\) 斜率为 \(-c\),此后斜率为 \(+c\)。在 \(2\tau_0\) 时穿过原点并不发生转向。
因此,
\[ \boxed{T_1=4\tau_0=\frac{4p_0}{f}}. \]
相轨迹可直接由能量守恒得到:
\[ \boxed{\frac{|x|}{A_0}+\frac{|p|}{p_0}=1}. \]
它是一个菱形,顶点为 \((0,p_0)\)、\((A_0,0)\)、\((0,-p_0)\) 和 \((-A_0,0)\)。从上顶点出发,运动依次经过右顶点、下顶点、左顶点,然后回到上顶点,即沿顺时针方向行进。
若初始动量为负,则将 \(x\) 和 \(p\) 同时反号;振幅和周期的表达式中使用 \(|p_0|\)。
2) 介子静止参考系中的两个夸克
取两个夸克重合时的相互作用势能为零。当间距为 \(r=|x_1-x_2|\) 时,
\[ U(r)=fr. \]
由于介子静止,两个夸克的初始动量大小相等、方向相反。将初始向右运动的夸克记为夸克 1:
\[ p_1(0)=p_*,\qquad p_2(0)=-p_*. \]
在 \(t=0\) 时,势能为零。因此,由总能量可得
\[ Mc^2=2cp_*, \qquad \boxed{p_*=\frac{Mc}{2}}. \]
由对称性,始终有
\[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \]
每个夸克都受到大小为 \(f\)、指向另一个夸克的力;当它们分开时,这个力也指向原点。因此,每个夸克都遵循第 1 部分求得的运动规律,其中
\[ \boxed{\tau=\frac{Mc}{2f}},\qquad \boxed{a=c\tau=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
完整的能量方程也证实了这一点:
\[ Mc^2 =2c|p_1|+f|x_1-x_2| =2\bigl(c|p_1|+f|x_1|\bigr). \]
下表给出了绘制一个周期内两种图像所需的数据:
| \(t/\tau\) | \(x_1/a\) | \(p_1/p_*\) | \(x_2/a\) | \(p_2/p_*\) |
|---|---|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
| \(1\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) |
| \(2\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) |
| \(3\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) |
| \(4\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
绘制位置—时间图像时,用直线依次连接每个夸克的位置点。两条三角波曲线关于 \(x=0\) 互为镜像,两个夸克在 \(t=2\tau\) 时相互穿过。
对于任一夸克的相图,都有
\[ \boxed{\frac{|x_i|}{a}+\frac{|p_i|}{p_*}=1}. \]
夸克 1 从 \((x,p)=(0,p_*)\) 出发,夸克 2 则从 \((0,-p_*)\) 出发。两者都沿菱形顺时针行进。
在转向点处,两个夸克位于相对的两个极端位置,因此
\[ \boxed{d_{\max}=2a=\frac{Mc^2}{f}}. \]
每个夸克的运动周期为
\[ \boxed{T=4\tau=\frac{2Mc}{f}}. \]
3) 实验室参考系中的运动和最大间距
给定的变换中,
\[ \beta=\frac35,\qquad \gamma=\frac54, \]
因此
\[ \gamma(1+\beta)=2,\qquad \gamma(1-\beta)=\frac12. \]
速度为 \(u=\pm c\) 的运动段经变换后,速度为
\[ u'=\frac{u+\beta c}{1+\beta u/c}=\pm c. \]
因此,实验室系中所有轨迹线段的斜率也都是 \(+c\) 或 \(-c\)。对转向事件进行变换,即可得到这些线段的端点。
例如,夸克 1 的第一次转向发生在 \((t,x)=(\tau,a)\),其中 \(a=c\tau\)。因此
\[ t'=\gamma\tau(1+\beta)=2\tau, \qquad x'=\gamma a(1+\beta)=2a. \]
一个周期内的全部四个转向事件如下:
| 转向事件 | \(t'\) | \(x'\) |
|---|---|---|
| 夸克 2,第一次转向 | \(\displaystyle \frac{\tau}{2}=\frac{Mc}{4f}\) | \(\displaystyle -\frac a2=-\frac{Mc^2}{4f}\) |
| 夸克 1,第一次转向 | \(\displaystyle 2\tau=\frac{Mc}{f}\) | \(\displaystyle 2a=\frac{Mc^2}{f}\) |
| 夸克 1,第二次转向 | \(\displaystyle 3\tau=\frac{3Mc}{2f}\) | \(\displaystyle a=\frac{Mc^2}{2f}\) |
| 夸克 2,第二次转向 | \(\displaystyle \frac{9\tau}{2}=\frac{9Mc}{4f}\) | \(\displaystyle \frac{7a}{2}=\frac{7Mc^2}{4f}\) |
两条轨迹均始于 \((t',x')=(0,0)\)。静止系中发生在 \((t,x)=(2\tau,0)\) 的相遇事件变为
\[ (t',x')=\left(\frac{5\tau}{2},\frac{3a}{2}\right). \]
静止系中周期结束时的事件 \((4\tau,0)\) 变为
\[ (t',x')=(5\tau,3a). \]
这些点和转向点表格完全确定了实验室系中的图像:对每个夸克,用直线依次连接各点。后续各周期由两条曲线按以下位移平移后重复得到:
\[ \Delta t'=5\tau=\gamma T,\qquad \Delta x'=3a. \]
为了求出观测到的间距,必须取同一实验室时刻两个夸克的位置:
\[ d'(t')=|x'_1(t')-x'_2(t')|. \]
最初,
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=-ct', \]
因此间距按 \(2ct'\) 增长。夸克 2 首先在 \(t'=\tau/2\) 时转向。在该时刻,
\[ x'_1=\frac a2,\qquad x'_2=-\frac a2, \]
所以 \(d'=a\)。
从 \(t'=\tau/2\) 到 \(t'=2\tau\),两个夸克都以速率 \(c\) 向右运动:
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=ct'-a. \]
因此,它们的间距保持为 \(a\)。随后间距减小,在 \(5\tau/2\) 时降为零,再增大,在 \(3\tau\) 时重新达到 \(a\),此后保持为 \(a\) 直到 \(9\tau/2\),然后减小,在 \(5\tau\) 时降为零。这一变化规律不断重复。
因此
\[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f} =\frac12\,d_{\max}}. \]
实验室系中转向时刻的不同至关重要:静止系中同时发生的两个转向事件,在实验室系中并不同时发生。
4) 介子在实验室系中的能量
对于整个介子,其在静止系中的总动量为零,总能量为 \(Mc^2\)。对其能量进行变换可得
\[ E'=\gamma\bigl(E+\beta cP_x\bigr)=\gamma Mc^2. \]
代入给定数值,
\[ \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-0.60^2}} =\frac{1}{0.80}=1.25, \]
因此
\[ \boxed{E'=1.25(140\ \mathrm{MeV})=175\ \mathrm{MeV}}. \]
解答已与官方解答核对。
IPhO 1994 · Теоретическая задача 1
Релятивистская частица
В специальной теории относительности связь между энергией \(E\) и импульсом \(P\) свободной частицы с массой покоя \(m_0\) имеет вид
\[ E=\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}=mc^2 \]
Когда на такую частицу действует консервативная сила, полная энергия частицы, равная сумме \(\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}\) и потенциальной энергии, сохраняется. Если энергия частицы очень велика, энергией покоя частицы можно пренебречь (такую частицу называют ультрарелятивистской).
1) Рассмотрите одномерное движение частицы очень высокой энергии (энергией покоя которой можно пренебречь) под действием центральной силы притяжения постоянного модуля \(f\). Пусть в момент времени \(t=0\) частица находится в силовом центре и имеет начальный импульс \(p_0\). Опишите движение частицы, построив отдельно графики зависимости \(x\) от времени \(t\) и импульса \(p\) от пространственной координаты \(x\) как минимум за один период движения. Укажите координаты «точек поворота» через заданные параметры \(p_0\) и \(f\). Стрелками укажите направление движения на диаграмме \((p,x)\). Возможны короткие промежутки времени, в течение которых частица не является ультрарелятивистской. Однако ими следует пренебречь.
Используйте лист ответов 1.
2) Мезон — это частица, состоящая из двух кварков. Масса покоя \(M\) мезона равна полной энергии системы из двух кварков, делённой на \(c^2\).
Рассмотрите одномерную модель покоящегося мезона, в которой предполагается, что два кварка движутся вдоль оси \(x\) и притягиваются друг к другу с силой постоянного модуля \(f\). Предполагается, что они могут свободно проходить друг сквозь друга. При анализе движения кварков высокой энергии их массой покоя можно пренебречь. В момент времени \(t=0\) оба кварка находятся в точке \(x=0\). Изобразите движение каждого из двух кварков отдельно на диаграммах \((x,t)\) и \((p,x)\), укажите координаты «точек поворота» через \(M\) и \(f\), укажите направление движения на диаграмме \((p,x)\) и определите максимальное расстояние между двумя кварками.
Используйте лист ответов 2.
3) Систему отсчёта, использованную в части 2, будем обозначать \(S\); лабораторная система отсчёта, обозначаемая \(S\), движется в отрицательном направлении оси \(x\) с постоянной скоростью \(v=0.6c\). Координаты в двух системах отсчёта выбраны так, что точка \(x=0\) в \(S\) совпадает с точкой \(x'=0\) в \(S''\) в момент времени \(t=t'=0\). Изобразите движение двух кварков на диаграмме \((x',t')\). Укажите координаты точек поворота через \(M\), \(f\) и \(c\) и определите максимальное расстояние между двумя кварками, наблюдаемое в лабораторной системе отсчёта \(S'\).
Используйте лист ответов 3.
Координаты частицы, наблюдаемой в системах отсчёта \(S\) и \(S''\), связаны преобразованием Лоренца
\[ \begin{cases} x'=\gamma(x+\beta ct),\\[2pt] t'=\gamma\left(t+\beta\dfrac{x}{c}\right) \end{cases} \]
где \(\beta=v/c\), \(\gamma=1/\sqrt{1-\beta^2}\), а \(v\) — скорость движения системы отсчёта \(S\) относительно системы отсчёта \(S''\).
4) Для мезона с энергией покоя \(Mc^2=140\ \mathrm{MeV}\) и скоростью \(0.60c\) относительно лабораторной системы отсчёта \(S''\) определите его энергию \(E'\) в лабораторной системе отсчёта \(S''\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
Выберем \(p_0>0\) и введём обозначения \[ \tau_0=\frac{p_0}{f},\qquad A_0=\frac{cp_0}{f}. \] График зависимости координаты от времени состоит из отрезков прямых, проходящих через точки \[ (t,x):\quad (0,0)\to(\tau_0,A_0)\to(2\tau_0,0) \to(3\tau_0,-A_0)\to(4\tau_0,0). \] Точки поворота — \((\tau_0,A_0)\) и \((3\tau_0,-A_0)\), а \[ \boxed{T_1=\frac{4p_0}{f}}. \] Если по горизонтали отложить \(x\), а по вертикали — \(p\), фазовая диаграмма представляет собой ромб, обходимый по часовой стрелке: \[ (x,p):\quad (0,p_0)\to(A_0,0)\to(0,-p_0)\to(-A_0,0)\to(0,p_0). \]
-
Введём обозначения \[ p_*=\frac{Mc}{2},\qquad \tau=\frac{Mc}{2f},\qquad a=\frac{Mc^2}{2f}. \] Кварк 1 движется так, как описано в части 1, при \(p_0=p_*\); для кварка 2 \[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \] Их координаты в моменты поворота равны \[ t=\tau:\ (x_1,x_2)=(a,-a),\qquad t=3\tau:\ (x_1,x_2)=(-a,a). \] Обе фазовые траектории проходят по одному и тому же ромбу по часовой стрелке, начинаясь в противоположных вершинах на оси импульса. Таким образом, \[ \boxed{T=\frac{2Mc}{f}},\qquad \boxed{d_{\max}=\frac{Mc^2}{f}}. \]
-
Здесь \(\gamma=5/4\). В координатах \((t'/\tau,x'/a)\) соедините следующие вершины отрезками прямых: \[ \begin{aligned} \text{Кварк 1:}\quad &(0,0)\to(2,2)\to(3,1)\to(5,3),\\ \text{Кварк 2:}\quad &(0,0)\to\left(\tfrac12,-\tfrac12\right) \to\left(\tfrac92,\tfrac72\right)\to(5,3). \end{aligned} \] Две внутренние вершины каждой траектории являются её точками поворота. Последующие циклы повторяются со сдвигом \((\Delta t',\Delta x')=(5\tau,3a)\). Максимальное расстояние между кварками, измеренное одновременно в лабораторной системе отсчёта, равно \[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
-
Энергия мезона в лабораторной системе отсчёта равна \[ \boxed{E'=\frac{Mc^2}{\sqrt{1-0.60^2}}=175\ \mathrm{MeV}}. \]
Решение
На приведённых ниже графиках зависимости координаты от времени время откладывается по горизонтали, а координата — по вертикали. На фазовых диаграммах по горизонтали откладывается \(x\), а по вертикали — \(p\). Лабораторная система отсчёта всюду обозначается \(S'\).
1) Движение под действием центральной силы постоянного модуля
Выберем положительное направление оси \(x\) вдоль начального импульса, так что \(p_0>0\). В ультрарелятивистском приближении
\[ E_{\mathrm{particle}}\simeq c|p|, \qquad \dot x=\frac{pc^2}{E_{\mathrm{particle}}} \simeq c\,\operatorname{sgn}(p). \]
Таким образом, между поворотами частица движется со скоростью \(c\). В соответствии с условием короткими промежутками времени вблизи точек поворота, когда движение не является ультрарелятивистским, пренебрегаем.
Сила притяжения и соответствующая ей потенциальная энергия имеют вид
\[ \dot p=-f\,\operatorname{sgn}(x), \qquad U(x)=f|x|. \]
Закон сохранения энергии даёт
\[ c|p|+f|x|=cp_0. \]
В точке поворота \(p=0\), поэтому максимальное смещение равно
\[ A_0=\frac{cp_0}{f}. \]
В начале движения \(x>0\), поэтому \(p=p_0-ft\). Первый поворот происходит через время
\[ \tau_0=\frac{p_0}{f}, \]
при \(x=c\tau_0=A_0\). Сила по-прежнему направлена к началу координат, поэтому частица возвращается с отрицательным импульсом. После прохождения начала координат сила меняет знак.
Один полный цикл:
| \(t\) | \(x\) | \(p\) |
|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(p_0\) |
| \(\tau_0\) | \(A_0\) | \(0\) |
| \(2\tau_0\) | \(0\) | \(-p_0\) |
| \(3\tau_0\) | \(-A_0\) | \(0\) |
| \(4\tau_0\) | \(0\) | \(p_0\) |
Соедините точки, соответствующие указанным координатам, отрезками прямых. Наклон равен \(+c\) до \(\tau_0\), \(-c\) от \(\tau_0\) до \(3\tau_0\) и \(+c\) после этого. Прохождение начала координат в момент \(2\tau_0\) не является поворотом.
Следовательно,
\[ \boxed{T_1=4\tau_0=\frac{4p_0}{f}}. \]
Фазовая кривая непосредственно следует из закона сохранения энергии:
\[ \boxed{\frac{|x|}{A_0}+\frac{|p|}{p_0}=1}. \]
Это ромб с вершинами \((0,p_0)\), \((A_0,0)\), \((0,-p_0)\) и \((-A_0,0)\). Начинаясь в верхней вершине, движение идёт к правой вершине, затем к нижней, затем к левой и обратно к верхней: по часовой стрелке.
При отрицательном начальном импульсе следует изменить знаки как \(x\), так и \(p\); в выражениях для амплитуды и периода используется \(|p_0|\).
2) Два кварка в системе покоя мезона
Примем потенциальную энергию взаимодействия равной нулю при совпадении положений кварков. При расстоянии \(r=|x_1-x_2|\)
\[ U(r)=fr. \]
Поскольку мезон покоится, начальные импульсы кварков равны по модулю и противоположны по направлению. Обозначим кварк, первоначально движущийся вправо, как кварк 1:
\[ p_1(0)=p_*,\qquad p_2(0)=-p_*. \]
При \(t=0\) потенциальная энергия равна нулю. Поэтому из выражения для полной энергии получаем
\[ Mc^2=2cp_*, \qquad \boxed{p_*=\frac{Mc}{2}}. \]
В силу симметрии сохраняются соотношения
\[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \]
На каждый кварк действует сила модуля \(f\), направленная к другому кварку, а значит, и к началу координат, пока кварки находятся на расстоянии друг от друга. Поэтому каждый из них движется так, как установлено в части 1, причём
\[ \boxed{\tau=\frac{Mc}{2f}},\qquad \boxed{a=c\tau=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
Уравнение для полной энергии подтверждает это:
\[ Mc^2 =2c|p_1|+f|x_1-x_2| =2\bigl(c|p_1|+f|x_1|\bigr). \]
Следующая таблица задаёт оба графика за один период:
| \(t/\tau\) | \(x_1/a\) | \(p_1/p_*\) | \(x_2/a\) | \(p_2/p_*\) |
|---|---|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
| \(1\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) |
| \(2\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) |
| \(3\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) |
| \(4\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
Для построения графиков зависимости координаты от времени соедините точки, соответствующие координатам каждого кварка, отрезками прямых. Две треугольные кривые зеркально симметричны друг другу относительно \(x=0\), а кварки проходят друг сквозь друга при \(t=2\tau\).
Для каждой из фазовых диаграмм
\[ \boxed{\frac{|x_i|}{a}+\frac{|p_i|}{p_*}=1}. \]
Кварк 1 начинает движение в точке \((x,p)=(0,p_*)\), а кварк 2 — в точке \((0,-p_*)\). Оба обходят ромб по часовой стрелке.
В точках поворота кварки находятся в противоположных крайних положениях, поэтому
\[ \boxed{d_{\max}=2a=\frac{Mc^2}{f}}. \]
Период движения каждого из них равен
\[ \boxed{T=4\tau=\frac{2Mc}{f}}. \]
3) Движение и максимальное расстояние в лабораторной системе отсчёта
В заданном преобразовании
\[ \beta=\frac35,\qquad \gamma=\frac54, \]
поэтому
\[ \gamma(1+\beta)=2,\qquad \gamma(1-\beta)=\frac12. \]
На участке со скоростью \(u=\pm c\) преобразованная скорость равна
\[ u'=\frac{u+\beta c}{1+\beta u/c}=\pm c. \]
Таким образом, все участки траекторий в лабораторной системе отсчёта также имеют наклон \(+c\) или \(-c\). Их концы получим, преобразуя координаты событий поворота.
Например, первый поворот кварка 1 происходит при \((t,x)=(\tau,a)\), где \(a=c\tau\). Поэтому
\[ t'=\gamma\tau(1+\beta)=2\tau, \qquad x'=\gamma a(1+\beta)=2a. \]
Все четыре события поворота за один цикл:
| Событие поворота | \(t'\) | \(x'\) |
|---|---|---|
| Кварк 2, первый поворот | \(\displaystyle \frac{\tau}{2}=\frac{Mc}{4f}\) | \(\displaystyle -\frac a2=-\frac{Mc^2}{4f}\) |
| Кварк 1, первый поворот | \(\displaystyle 2\tau=\frac{Mc}{f}\) | \(\displaystyle 2a=\frac{Mc^2}{f}\) |
| Кварк 1, второй поворот | \(\displaystyle 3\tau=\frac{3Mc}{2f}\) | \(\displaystyle a=\frac{Mc^2}{2f}\) |
| Кварк 2, второй поворот | \(\displaystyle \frac{9\tau}{2}=\frac{9Mc}{4f}\) | \(\displaystyle \frac{7a}{2}=\frac{7Mc^2}{4f}\) |
Обе траектории начинаются в точке \((t',x')=(0,0)\). Пересечение в системе покоя при \((t,x)=(2\tau,0)\) преобразуется в
\[ (t',x')=\left(\frac{5\tau}{2},\frac{3a}{2}\right). \]
Конец цикла в системе покоя, \((4\tau,0)\), преобразуется в
\[ (t',x')=(5\tau,3a). \]
Эти точки и таблица точек поворота полностью задают графики в лабораторной системе отсчёта: соедините последовательные точки для каждого кварка отрезками прямых. Последующие циклы повторяются при сдвиге обеих кривых на
\[ \Delta t'=5\tau=\gamma T,\qquad \Delta x'=3a. \]
Чтобы найти наблюдаемое расстояние, координаты обоих кварков необходимо вычислить в один и тот же момент лабораторного времени:
\[ d'(t')=|x'_1(t')-x'_2(t')|. \]
Вначале
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=-ct', \]
поэтому расстояние растёт как \(2ct'\). Кварк 2 поворачивает первым, при \(t'=\tau/2\). В этот момент
\[ x'_1=\frac a2,\qquad x'_2=-\frac a2, \]
и, следовательно, \(d'=a\).
От \(t'=\tau/2\) до \(t'=2\tau\) оба кварка движутся вправо со скоростью \(c\):
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=ct'-a. \]
Поэтому расстояние между ними остаётся равным \(a\). Затем оно уменьшается до нуля при \(5\tau/2\), снова увеличивается до \(a\) при \(3\tau\), остаётся равным \(a\) до \(9\tau/2\) и уменьшается до нуля при \(5\tau\). Далее эта последовательность повторяется.
Таким образом,
\[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f} =\frac12\,d_{\max}}. \]
Различие моментов поворота в лабораторной системе отсчёта существенно: два события поворота, одновременные в системе покоя, не являются одновременными в лабораторной системе.
4) Энергия мезона в лабораторной системе отсчёта
Для мезона в целом полный импульс в системе покоя равен нулю, а полная энергия равна \(Mc^2\). Преобразование энергии даёт
\[ E'=\gamma\bigl(E+\beta cP_x\bigr)=\gamma Mc^2. \]
При заданных значениях
\[ \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-0.60^2}} =\frac{1}{0.80}=1.25, \]
и, следовательно,
\[ \boxed{E'=1.25(140\ \mathrm{MeV})=175\ \mathrm{MeV}}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1994 · مسألة نظرية 1
جسيم نسبي
في نظرية النسبية الخاصة، تُعطى العلاقة بين الطاقة \(E\) والزخم \(P\) لجسيم حر كتلته السكونية \(m_0\) بالعلاقة
\[ E=\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}=mc^2 \]
عندما يخضع مثل هذا الجسيم لقوة محافظة، تكون طاقته الكلية، وهي مجموع \(\sqrt{p^2c^2+m_0^2c^4}\) وطاقة الوضع، محفوظة. وإذا كانت طاقة الجسيم عالية جدًا، أمكن إهمال طاقة سكونه (ويُسمّى مثل هذا الجسيم جسيمًا فائق النسبية).
1) انظر في الحركة أحادية البعد لجسيم ذي طاقة عالية جدًا (بحيث يمكن إهمال طاقة سكونه) يخضع لقوة مركزية تجاذبية ثابتة المقدار \(f\). افترض أن الجسيم يوجد عند مركز القوة بزخم ابتدائي \(p_0\) عند الزمن \(t=0\). صِف حركة الجسيم برسم كلٍّ مما يأتي على حدة، لمدة لا تقل عن دورة واحدة من الحركة: \(x\) بدلالة الزمن \(t\)، والزخم \(p\) بدلالة الإحداثي المكاني \(x\). حدّد إحداثيات «نقاط الانعطاف» بدلالة المعطيين \(p_0\) و\(f\). وضّح بالأسهم اتجاه سير الحركة في مخطط \((p,x)\). قد توجد فترات زمنية قصيرة لا يكون فيها الجسيم فائق النسبية، ولكن ينبغي إهمالها.
استخدم ورقة الإجابة 1.
2) الميزون جسيم مكوّن من كواركين. تساوي الكتلة السكونية \(M\) للميزون الطاقة الكلية لمنظومة الكواركين مقسومة على \(c^2\).
انظر في نموذج أحادي البعد لميزون ساكن، يُفترض فيه أن الكواركين يتحركان على محور \(x\) ويتجاذبان بقوة ثابتة المقدار \(f\). ويُفترض أنهما يستطيعان المرور أحدهما عبر الآخر بحرية. ولتحليل حركة الكواركين عند الطاقات العالية، يمكن إهمال كتلتيهما السكونيتين. عند الزمن \(t=0\)، يكون الكواركان كلاهما عند \(x=0\). مثّل حركة كلٍّ من الكواركين على حدة بيانيًا بمخطط \((x,t)\) ومخطط \((p,x)\)، وحدّد إحداثيات «نقاط الانعطاف» بدلالة \(M\) و\(f\)، ووضّح اتجاه سير الحركة في مخطط \((p,x)\)، وأوجد المسافة القصوى بين الكواركين.
استخدم ورقة الإجابة 2.
3) سنشير إلى الإطار المرجعي المستخدم في الجزء 2 بالإطار \(S\)، ويتحرك إطار المختبر، المشار إليه بالرمز \(S\)، في اتجاه \(x\) السالب بسرعة ثابتة \(v=0.6c\). وقد اختيرت الإحداثيات في الإطارين المرجعيين بحيث تتطابق النقطة \(x=0\) في \(S\) مع النقطة \(x'=0\) في \(S''\) عند الزمن \(t=t'=0\). مثّل حركة الكواركين بيانيًا في مخطط \((x',t')\). حدّد إحداثيات نقاط الانعطاف بدلالة \(M\) و\(f\) و\(c\)، وأوجد المسافة القصوى بين الكواركين كما تُرصد في إطار المختبر \(S'\).
استخدم ورقة الإجابة 3.
ترتبط إحداثيات الجسيم المرصود في الإطارين المرجعيين \(S\) و\(S''\) بتحويل لورنتز
\[ \begin{cases} x'=\gamma(x+\beta ct),\\[2pt] t'=\gamma\left(t+\beta\dfrac{x}{c}\right) \end{cases} \]
حيث \(\beta=v/c\)، و\(\gamma=1/\sqrt{1-\beta^2}\)، و\(v\) هي سرعة الإطار \(S\) المتحرك بالنسبة إلى الإطار \(S''\).
4) لميزون طاقة سكونه \(Mc^2=140\ \mathrm{MeV}\) وسرعته \(0.60c\) بالنسبة إلى إطار المختبر \(S''\)، أوجد طاقته \(E'\) في إطار المختبر \(S''\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
اختر \(p_0>0\)، وعرّف \[ \tau_0=\frac{p_0}{f},\qquad A_0=\frac{cp_0}{f}. \] يتكوّن منحنى الموضع–الزمن من قطع مستقيمة تمر بالنقاط \[ (t,x):\quad (0,0)\to(\tau_0,A_0)\to(2\tau_0,0) \to(3\tau_0,-A_0)\to(4\tau_0,0). \] نقطتا الانعطاف هما \((\tau_0,A_0)\) و\((3\tau_0,-A_0)\)، و \[ \boxed{T_1=\frac{4p_0}{f}}. \] عند وضع \(x\) أفقيًا و\(p\) رأسيًا، يكون مخطط الطور مُعيّنًا يُجتاز في اتجاه عقارب الساعة \[ (x,p):\quad (0,p_0)\to(A_0,0)\to(0,-p_0)\to(-A_0,0)\to(0,p_0). \]
-
عرّف \[ p_*=\frac{Mc}{2},\qquad \tau=\frac{Mc}{2f},\qquad a=\frac{Mc^2}{2f}. \] يتبع الكوارك 1 الحركة الواردة في الجزء 1 مع \(p_0=p_*\)؛ أما الكوارك 2 فيحقق \[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \] موضعاهما عند زمنَي الانعطاف هما \[ t=\tau:\ (x_1,x_2)=(a,-a),\qquad t=3\tau:\ (x_1,x_2)=(-a,a). \] يتبع المساران الطوريان المُعيّن نفسه في اتجاه عقارب الساعة، انطلاقًا من رأسَي الزخم المتقابلين. ومن ثم \[ \boxed{T=\frac{2Mc}{f}},\qquad \boxed{d_{\max}=\frac{Mc^2}{f}}. \]
-
هنا \(\gamma=5/4\). باستخدام الإحداثيات \((t'/\tau,x'/a)\)، صِل الرؤوس الآتية بخطوط مستقيمة: \[ \begin{aligned} \text{الكوارك 1:}\quad &(0,0)\to(2,2)\to(3,1)\to(5,3),\\ \text{الكوارك 2:}\quad &(0,0)\to\left(\tfrac12,-\tfrac12\right) \to\left(\tfrac92,\tfrac72\right)\to(5,3). \end{aligned} \] الرأسان الداخليان لكل مسار هما نقطتا انعطافه. تتكرر الدورات اللاحقة بعد إزاحة \((\Delta t',\Delta x')=(5\tau,3a)\). والمسافة القصوى بين الكواركين عند قياس موضعيهما في اللحظة نفسها في المختبر هي \[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
-
طاقة الميزون في المختبر هي \[ \boxed{E'=\frac{Mc^2}{\sqrt{1-0.60^2}}=175\ \mathrm{MeV}}. \]
الحل
تُرسم منحنيات الموضع–الزمن أدناه بوضع الزمن أفقيًا والموضع رأسيًا. أما مخططات الطور فتضع \(x\) أفقيًا و\(p\) رأسيًا. ويُرمز إلى إطار المختبر بالرمز \(S'\) بصورة متسقة.
1) الحركة تحت تأثير القوة المركزية ثابتة المقدار
اختر اتجاه \(x\) الموجب في اتجاه الزخم الابتدائي، بحيث يكون \(p_0>0\). في التقريب فائق النسبية،
\[ E_{\mathrm{particle}}\simeq c|p|, \qquad \dot x=\frac{pc^2}{E_{\mathrm{particle}}} \simeq c\,\operatorname{sgn}(p). \]
إذن يتحرك الجسيم بسرعة \(c\) بين انعكاسات اتجاه الحركة. وتُهمَل الفترات القصيرة التي لا تكون فيها الحركة فائقة النسبية عند نقاط الانعطاف، وفقًا للتعليمات.
القوة التجاذبية وطاقة وضع تقابلها هما
\[ \dot p=-f\,\operatorname{sgn}(x), \qquad U(x)=f|x|. \]
يعطي حفظ الطاقة
\[ c|p|+f|x|=cp_0. \]
عند نقطة انعطاف مكانية، يكون \(p=0\)، ومن ثم تكون الإزاحة القصوى
\[ A_0=\frac{cp_0}{f}. \]
في البداية يكون \(x>0\)، وبالتالي \(p=p_0-ft\). يحدث أول انعكاس للاتجاه بعد زمن
\[ \tau_0=\frac{p_0}{f}, \]
عند \(x=c\tau_0=A_0\). وتظل القوة متجهة نحو نقطة الأصل، فيعود الجسيم بزخم سالب. وبعد عبور نقطة الأصل، تتغير إشارة القوة.
دورة كاملة واحدة هي:
| \(t\) | \(x\) | \(p\) |
|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(p_0\) |
| \(\tau_0\) | \(A_0\) | \(0\) |
| \(2\tau_0\) | \(0\) | \(-p_0\) |
| \(3\tau_0\) | \(-A_0\) | \(0\) |
| \(4\tau_0\) | \(0\) | \(p_0\) |
صِل نقاط الموضع بخطوط مستقيمة. تكون الميول \(+c\) حتى \(\tau_0\)، و\(-c\) من \(\tau_0\) إلى \(3\tau_0\)، و\(+c\) بعد ذلك. ولا يُعد عبور نقطة الأصل عند \(2\tau_0\) انعكاسًا للاتجاه.
وبالتالي،
\[ \boxed{T_1=4\tau_0=\frac{4p_0}{f}}. \]
ينتج منحنى الطور مباشرة من حفظ الطاقة:
\[ \boxed{\frac{|x|}{A_0}+\frac{|p|}{p_0}=1}. \]
وهو مُعيّن رؤوسه \((0,p_0)\)، و\((A_0,0)\)، و\((0,-p_0)\)، و\((-A_0,0)\). انطلاقًا من الرأس العلوي، تتجه الحركة إلى الرأس الأيمن، ثم الرأس السفلي، ثم الرأس الأيسر، ثم تعود إلى الرأس العلوي: أي في اتجاه عقارب الساعة.
إذا كانت إشارة الزخم الابتدائي سالبة، فاعكس إشارتي كلٍّ من \(x\) و\(p\)؛ وتُستخدم \(|p_0|\) في حساب السعة والزمن الدوري.
2) الكواركان في إطار سكون الميزون
اعتبر أن طاقة وضع التفاعل تنعدم عندما يتطابق موضعا الكواركين. عند مسافة فصل \(r=|x_1-x_2|\)،
\[ U(r)=fr. \]
لأن الميزون ساكن، فإن زخمَي الكواركين الابتدائيين متساويان مقدارًا ومتعاكسان اتجاهًا. سمِّ الكوارك الذي يتحرك في البداية نحو اليمين الكوارك 1:
\[ p_1(0)=p_*,\qquad p_2(0)=-p_*. \]
عند \(t=0\)، تكون طاقة الوضع صفرًا. ولذلك تعطي الطاقة الكلية
\[ Mc^2=2cp_*, \qquad \boxed{p_*=\frac{Mc}{2}}. \]
يحافظ التناظر على العلاقتين
\[ x_2=-x_1,\qquad p_2=-p_1. \]
يخضع كل كوارك لقوة مقدارها \(f\) متجهة نحو الكوارك الآخر، وهي متجهة أيضًا نحو نقطة الأصل ما داما منفصلين. لذلك يتبع كلٌّ منهما الحركة التي وُجدت في الجزء 1، حيث
\[ \boxed{\tau=\frac{Mc}{2f}},\qquad \boxed{a=c\tau=\frac{Mc^2}{2f}}. \]
وتؤكد معادلة الطاقة الكاملة ذلك:
\[ Mc^2 =2c|p_1|+f|x_1-x_2| =2\bigl(c|p_1|+f|x_1|\bigr). \]
يحدّد الجدول الآتي كلا الرسمين خلال دورة واحدة:
| \(t/\tau\) | \(x_1/a\) | \(p_1/p_*\) | \(x_2/a\) | \(p_2/p_*\) |
|---|---|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
| \(1\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) |
| \(2\) | \(0\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) |
| \(3\) | \(-1\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) |
| \(4\) | \(0\) | \(1\) | \(0\) | \(-1\) |
لرسم مخططي الموضع–الزمن، صِل نقاط موضع كل كوارك بخطوط مستقيمة. المنحنيان المثلثيان صورتان منعكستان أحدهما للآخر حول \(x=0\)، ويمر الكواركان أحدهما عبر الآخر عند \(t=2\tau\).
لكلٍّ من مخططي الطور،
\[ \boxed{\frac{|x_i|}{a}+\frac{|p_i|}{p_*}=1}. \]
يبدأ الكوارك 1 عند \((x,p)=(0,p_*)\)، بينما يبدأ الكوارك 2 عند \((0,-p_*)\). ويجتاز كلاهما المُعيّن في اتجاه عقارب الساعة.
عند نقاط الانعطاف، يكون الكواركان عند الطرفين المتقابلين، ومن ثم
\[ \boxed{d_{\max}=2a=\frac{Mc^2}{f}}. \]
الزمن الدوري لكلٍّ منهما هو
\[ \boxed{T=4\tau=\frac{2Mc}{f}}. \]
3) الحركة والمسافة القصوى في إطار المختبر
في التحويل المعطى،
\[ \beta=\frac35,\qquad \gamma=\frac54, \]
ومن ثم
\[ \gamma(1+\beta)=2,\qquad \gamma(1-\beta)=\frac12. \]
تتحول السرعة على قطعة من المسار ذات سرعة \(u=\pm c\) إلى
\[ u'=\frac{u+\beta c}{1+\beta u/c}=\pm c. \]
إذن تكون ميول جميع قطع المسارات في المختبر أيضًا \(+c\) أو \(-c\). ونحصل على نهاياتها بتحويل أحداث الانعطاف.
على سبيل المثال، يحدث الانعطاف الأول للكوارك 1 عند \((t,x)=(\tau,a)\)، حيث \(a=c\tau\). ولذلك
\[ t'=\gamma\tau(1+\beta)=2\tau, \qquad x'=\gamma a(1+\beta)=2a. \]
أحداث الانعطاف الأربعة جميعها في دورة واحدة هي:
| حدث الانعطاف | \(t'\) | \(x'\) |
|---|---|---|
| الكوارك 2، الانعطاف الأول | \(\displaystyle \frac{\tau}{2}=\frac{Mc}{4f}\) | \(\displaystyle -\frac a2=-\frac{Mc^2}{4f}\) |
| الكوارك 1، الانعطاف الأول | \(\displaystyle 2\tau=\frac{Mc}{f}\) | \(\displaystyle 2a=\frac{Mc^2}{f}\) |
| الكوارك 1، الانعطاف الثاني | \(\displaystyle 3\tau=\frac{3Mc}{2f}\) | \(\displaystyle a=\frac{Mc^2}{2f}\) |
| الكوارك 2، الانعطاف الثاني | \(\displaystyle \frac{9\tau}{2}=\frac{9Mc}{4f}\) | \(\displaystyle \frac{7a}{2}=\frac{7Mc^2}{4f}\) |
يبدأ كلا المسارين عند \((t',x')=(0,0)\). ويتحول حدث التقاطع في إطار السكون عند \((t,x)=(2\tau,0)\) إلى
\[ (t',x')=\left(\frac{5\tau}{2},\frac{3a}{2}\right). \]
وتتحول نهاية الدورة في إطار السكون، \((4\tau,0)\)، إلى
\[ (t',x')=(5\tau,3a). \]
تحدّد هذه النقاط وجدول نقاط الانعطاف الرسوم في المختبر تحديدًا كاملًا: صِل النقاط المتتالية لكل كوارك بخطوط مستقيمة. وتتكرر الدورات اللاحقة بعد إزاحة كلا المنحنيين بمقدار
\[ \Delta t'=5\tau=\gamma T,\qquad \Delta x'=3a. \]
لإيجاد المسافة المرصودة، يجب حساب الموضعين عند الزمن نفسه في المختبر:
\[ d'(t')=|x'_1(t')-x'_2(t')|. \]
في البداية،
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=-ct', \]
فتزداد المسافة وفقًا للعلاقة \(2ct'\). ينعكس اتجاه الكوارك 2 أولًا، عند \(t'=\tau/2\). وفي تلك اللحظة،
\[ x'_1=\frac a2,\qquad x'_2=-\frac a2, \]
ومن ثم \(d'=a\).
من \(t'=\tau/2\) إلى \(t'=2\tau\)، يتحرك كلا الكواركين نحو اليمين بسرعة \(c\):
\[ x'_1=ct',\qquad x'_2=ct'-a. \]
لذلك تظل المسافة بينهما مساوية لـ \(a\). ثم تتناقص إلى الصفر عند \(5\tau/2\)، وتزداد مجددًا إلى \(a\) عند \(3\tau\)، وتبقى مساوية لـ \(a\) حتى \(9\tau/2\)، ثم تتناقص إلى الصفر عند \(5\tau\). ويتكرر هذا النمط.
إذن
\[ \boxed{d'_{\max}=a=\frac{Mc^2}{2f} =\frac12\,d_{\max}}. \]
اختلاف زمنَي انعكاس الاتجاه في المختبر أمر جوهري: فحدثا الانعطاف المتزامنان في إطار السكون ليسا متزامنين في المختبر.
4) طاقة الميزون في المختبر
بالنسبة إلى الميزون ككل، يكون الزخم الكلي في إطار السكون صفرًا، وتكون طاقته الكلية \(Mc^2\). ويعطي تحويل طاقته
\[ E'=\gamma\bigl(E+\beta cP_x\bigr)=\gamma Mc^2. \]
باستخدام القيم المعطاة،
\[ \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-0.60^2}} =\frac{1}{0.80}=1.25, \]
وبالتالي
\[ \boxed{E'=1.25(140\ \mathrm{MeV})=175\ \mathrm{MeV}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.