Bizning zamonamizdagi materiyaning asosiy zarralari. Asosiy zarracha

Taqdir menga shunday munosabatda bo'ldiki, men ijtimoiy tuzumimizning eng asosiy hodisalariga beixtiyor tegib ketdim va ularga hech qanday parda va illyuziyalarsiz qarashga muvaffaq bo'ldim. O'shanda menga o'xshagandek, men eng ko'p narsani ko'rdim

3. Asosiy keskinlik

3. Asosiy taranglik Xristianlikning birinchi asrdagi iudaizmdan kelib chiqqanligi uning mohiyatiga xosdir. Iso yahudiy edi. Birinchi nasroniylar butunlay yahudiylar edi. Xristianlik yahudiylik ichidan, yahudiylik ichidagi messianik sektadan boshlangan. Idrok qildi

ASOSIY HAQIQAT

ASOSIY HAQIQAT Bizning masalda Jalin Iso Masihning bir turi, shoh esa Otami? Bu Ota Qodir Xudodir. Dagon shaytonni ifodalaydi; Endeldagi hayot? Bu inson hayoti yerda; Affabel Xudoning samoviy shahrini ifodalaydi. Lonning tashlandiq erlari?

Bu uchta zarra (shuningdek, quyida tavsiflangan boshqalar) o'zlariga ko'ra o'zaro tortiladi va qaytariladi to'lovlar, ulardan tabiatning asosiy kuchlari soniga ko'ra faqat to'rtta turi mavjud. Zaryadlarni mos keladigan kuchlarning kamayish tartibida quyidagicha joylashtirish mumkin: rangli zaryad (kvarklar orasidagi o'zaro ta'sir kuchlari); elektr zaryadi (elektr va magnit kuchlar); zaif zaryad (ba'zi radioaktiv jarayonlardagi kuchlar); nihoyat, massa (tortishish kuchi yoki tortishish o'zaro ta'siri). Bu erda "rang" so'zining rangga hech qanday aloqasi yo'q ko'rinadigan yorug'lik; bu shunchaki kuchli zaryad va eng katta kuchlarning xarakteristikasi.

To'lovlar saqlanadi, ya'ni. tizimga kiradigan zaryad undan chiqadigan zaryadga teng. Agar ma'lum miqdordagi zarrachalarning o'zaro ta'siridan oldingi umumiy elektr zaryadi, aytaylik, 342 birlikka teng bo'lsa, u holda o'zaro ta'sirdan keyin, uning natijasidan qat'i nazar, u 342 birlikka teng bo'ladi. Bu boshqa zaryadlarga ham tegishli: rang (kuchli o'zaro ta'sir zaryadi), zaif va massa (massa). Zarrachalar o'zlarining zaryadlari bo'yicha farqlanadi: mohiyatiga ko'ra, ular bu zaryadlar "dir". To'lovlar tegishli kuchga javob berish huquqining "guvohnomasi" ga o'xshaydi. Shunday qilib, faqat rangli zarrachalarga rang kuchlari ta'sir qiladi, faqat elektr zaryadlangan zarrachalarga elektr kuchlari ta'sir qiladi va hokazo. Zarrachaning xossalari unga ta'sir qiluvchi eng katta kuch bilan belgilanadi. Faqat kvarklar barcha zaryadlarning tashuvchisi bo'lib, shuning uchun barcha kuchlarning ta'siriga bo'ysunadi, ular orasida rang ustunlik qiladi. Elektronlarning rangdan tashqari barcha zaryadlari bor va ular uchun dominant kuch elektromagnit kuchdir.

Tabiatdagi eng barqarorlari, qoida tariqasida, zarrachalarning neytral birikmalari bo'lib, ularda bir belgining zarrachalarining zaryadi boshqa belgining zarrachalarining umumiy zaryadi bilan qoplanadi. Bu butun tizimning minimal energiyasiga to'g'ri keladi. (Xuddi shunday, ikkita shtrixli magnit bir chiziqda joylashgan bo'lib, birining shimoliy qutbi ikkinchisining janubiy qutbiga qaragan bo'lib, bu magnit maydonning minimal energiyasiga to'g'ri keladi.) Gravitatsiya bu qoidadan istisno: manfiy. massa mavjud emas. Yuqoriga tushadigan jismlar yo'q.

MATTA TURLARI

Oddiy materiya elektronlar va kvarklardan hosil bo'lib, ular neytral rangga ega, keyin esa elektr zaryadiga ega bo'lgan jismlarga guruhlangan. Rang kuchi neytrallanadi, chunki zarralar uchliklarga birlashtirilganda, quyida batafsilroq muhokama qilinadi. (Shuning uchun "rang" atamasi optikadan olingan: uchta asosiy rang aralashganda oq rang hosil bo'ladi.) Shunday qilib, rang kuchi asosiy bo'lgan kvarklar uchlik hosil qiladi. Ammo kvarklar va ular bo'linadi u-kvarklar (ingliz tilidan yuqoriga - tepaga) va d-kvarklar (inglizchadan pastga - pastdan), shuningdek, teng elektr zaryadiga ega u-kvark va uchun d-kvark. Ikki u-kvark va bitta d-kvarklar +1 elektr zaryadini beradi va proton hosil qiladi va bitta u-kvark va ikkita d-kvarklar nol elektr zaryadini beradi va neytron hosil qiladi.

Barqaror protonlar va neytronlar, ularni tashkil etuvchi kvarklar orasidagi o'zaro ta'sirning qoldiq rangli kuchlari bilan bir-biriga tortilib, rangsiz neytral atom yadrosini hosil qiladi. Ammo yadrolar musbat elektr zaryadini olib yuradi va Quyosh atrofida aylanadigan sayyoralar singari yadro atrofida aylanadigan manfiy elektronlarni jalb qilib, neytral atom hosil qiladi. Ularning orbitalaridagi elektronlar yadrodan yadro radiusidan o'n minglab marta kattaroq masofada chiqariladi - bu ularni ushlab turgan elektr kuchlari yadroviy kuchlardan ancha zaif ekanligidan dalolat beradi. Ranglarning o'zaro ta'sir kuchi tufayli atom massasining 99,945% uning yadrosida joylashgan. Og'irligi u- Va d-kvarklar elektron massasidan taxminan 600 marta katta. Shuning uchun elektronlar yadrolarga qaraganda ancha engilroq va harakatchanroqdir. Ularning materiyadagi harakati elektr hodisalari tufayli yuzaga keladi.

Yadrodagi neytronlar va protonlar soni va shunga mos ravishda ularning orbitalaridagi elektronlar soni bilan farq qiluvchi bir necha yuzlab tabiiy atomlar (shu jumladan izotoplar) mavjud. Eng oddiyi vodorod atomi bo'lib, u proton shaklidagi yadro va uning atrofida aylanadigan yagona elektrondan iborat. Tabiatdagi barcha "ko'rinadigan" moddalar atomlardan va qisman "demontaj qilingan" atomlardan iborat bo'lib, ular ionlar deb ataladi. Ionlar bir nechta elektronni yo'qotib (yoki qo'lga kiritib) zaryadlangan zarrachalarga aylangan atomlardir. Deyarli butunlay ionlardan tashkil topgan moddaga plazma deyiladi. Markazlarda sodir bo'ladigan termoyadro reaktsiyalari tufayli yonadigan yulduzlar asosan plazmadan iborat bo'lib, yulduzlar koinotda eng keng tarqalgan materiya shakli bo'lganligi sababli, butun Olam asosan plazmadan iborat deb aytishimiz mumkin. Aniqrog'i, yulduzlar asosan to'liq ionlangan vodorod gazidir, ya'ni. alohida protonlar va elektronlarning aralashmasi va shuning uchun deyarli butun ko'rinadigan olam undan iborat.

Bu ko'rinadigan narsa. Ammo Koinotda ko'rinmas materiya ham mavjud. Va kuch tashuvchi sifatida ishlaydigan zarralar mavjud. Ayrim zarralarning antizarralar va qo'zg'aluvchan holatlari mavjud. Bularning barchasi "elementar" zarralarning aniq haddan tashqari ko'pligiga olib keladi. Bu mo'l-ko'llikda elementar zarralar va ular orasidagi ta'sir qiluvchi kuchlarning haqiqiy, haqiqiy tabiatining ko'rsatkichini topish mumkin. Eng so'nggi nazariyalarga ko'ra, zarralar asosan kengaytirilgan geometrik ob'ektlar bo'lishi mumkin - o'n o'lchovli fazoda "torlar".

Ko'rinmas dunyo.

Koinotda nafaqat ko'rinadigan materiya (balki qora tuynuklar va "qorong'u materiya", masalan, yoritilganda ko'rinadigan sovuq sayyoralar) mavjud. Hammamizga va butun koinotga har soniyada kirib boradigan haqiqatan ham ko'rinmas materiya bor. Bu bir turdagi zarrachalarning tez harakatlanuvchi gazi - elektron neytrinolar.

Elektron neytrino elektronning sherigi, lekin elektr zaryadiga ega emas. Neytrinolar faqat kuchsiz zaryadga ega. Ularning dam olish massasi, ehtimol, nolga teng. Ammo ular tortishish maydoni bilan o'zaro ta'sir qiladilar, chunki ular kinetik energiyaga ega E, bu samarali massaga mos keladi m, Eynshteyn formulasiga ko'ra E = mc 2 qaerda c- yorug'lik tezligi.

Neytrinoning asosiy roli shundaki, u transformatsiyaga hissa qo'shadi Va-kvarklar kiradi d-kvarklar, buning natijasida proton neytronga aylanadi. Neytrinolar yulduz sintezi reaktsiyalari uchun "karbyurator ignasi" vazifasini bajaradi, ularda to'rtta proton (vodorod yadrolari) geliy yadrosini hosil qilish uchun birlashadi. Ammo geliy yadrosi to'rt protondan emas, balki ikkita proton va ikkita neytrondan iborat bo'lganligi sababli, bunday yadro sintezi uchun ikkitasi bo'lishi kerak. Va-kvarklar ikkiga aylandi d-kvark. Transformatsiyaning intensivligi yulduzlarning qanchalik tez yonishini aniqlaydi. Va transformatsiya jarayoni zaif zaryadlar va zarralar orasidagi zaif o'zaro ta'sir kuchlari bilan belgilanadi. Qayerda Va-kvark (elektr zaryadi +2/3, kuchsiz zaryad +1/2), elektron bilan o'zaro ta'sir qilish (elektr zaryad - 1, kuchsiz zaryad -1/2), hosil bo'ladi. d-kvark (elektr zaryadi –1/3, kuchsiz zaryad –1/2) va elektron neytrino (elektr zaryadi 0, kuchsiz zaryad +1/2). Ikki kvarkning rang zaryadlari (yoki shunchaki ranglari) bu jarayonda neytrinosiz bekor qilinadi. Neytrinoning vazifasi kompensatsiyalanmagan zaif zaryadni olib tashlashdir. Shuning uchun transformatsiya tezligi zaif kuchlarning qanchalik zaifligiga bog'liq. Agar ular o'zlaridan zaifroq bo'lganlarida, yulduzlar umuman yonmaydilar. Agar ular kuchliroq bo'lganida, yulduzlar allaqachon yonib ketgan bo'lar edi.

Neytrinolar haqida nima deyish mumkin? Bu zarralar boshqa moddalar bilan nihoyatda zaif ta'sirga kirishganligi sababli ular o'zlari tug'ilgan yulduzlarni deyarli darhol tark etadilar. Barcha yulduzlar porlaydilar, neytrinolarni chiqaradilar va neytrinolar bizning tanamiz va butun Yer bo'ylab kechayu kunduz porlaydilar. Shunday qilib, ular, ehtimol, yangi o'zaro ta'sir STARga kirgunlaricha, koinot bo'ylab kezib yurishadi).

O'zaro ta'sir tashuvchilar.

Masofadagi zarralar o'rtasida ta'sir qiluvchi kuchlarning sababi nima? Zamonaviy fizika javob beradi: boshqa zarralar almashinuvi tufayli. Tasavvur qiling-a, ikkita konkida uchuvchi to'pni uloqtirmoqda. Otish paytida to'pga impuls berish va qabul qilingan to'p bilan impuls olish orqali ikkalasi ham bir-biridan uzoqroqqa yo'nalishda surish oladi. Bu itaruvchi kuchlarning paydo bo'lishini tushuntirishi mumkin. Ammo mikrodunyodagi hodisalarni ko'rib chiqadigan kvant mexanikasida hodisalarning g'ayrioddiy cho'zilishi va delokalizatsiyasiga yo'l qo'yiladi, bu esa imkonsiz bo'lib tuyuladigan narsaga olib keladi: konkida uchuvchilardan biri to'pni yo'nalishga tashlaydi. dan boshqacha, lekin shunga qaramay, o'sha Balki bu to'pni ushlang. Tasavvur qilish qiyin emaski, agar bu mumkin bo'lsa (va elementar zarralar dunyosida ham mumkin), konkida uchuvchilar o'rtasida tortishish paydo bo'ladi.

Yuqorida muhokama qilingan to'rtta "modda zarralari" o'rtasidagi o'zaro ta'sir kuchlari almashinuvi tufayli zarralar o'lchovli zarralar deb ataladi. To'rtta o'zaro ta'sirning har biri - kuchli, elektromagnit, zaif va tortishish - o'z o'lchov zarralari to'plamiga ega. Kuchli o'zaro ta'sirning tashuvchisi zarralari glyuonlardir (ularning faqat sakkiztasi bor). Foton elektromagnit o'zaro ta'sirning tashuvchisi (faqat bittasi bor va biz fotonlarni yorug'lik sifatida qabul qilamiz). Zaif o'zaro ta'sirning tashuvchi zarralari oraliq vektor bozonlaridir (ular 1983 va 1984 yillarda kashf etilgan. V + -, V- - bozonlar va neytral Z-bozon). Gravitatsion o'zaro ta'sirning tashuvchisi zarrasi hali ham faraziy gravitondir (faqat bitta bo'lishi kerak). Bu barcha zarralar, cheksiz uzoq masofalarni bosib o'ta oladigan foton va gravitondan tashqari, faqat moddiy zarralar o'rtasidagi almashish jarayonida mavjud. Fotonlar Olamni yorug'lik bilan to'ldiradi va gravitonlar Olamni tortishish to'lqinlari bilan to'ldiradi (hali ishonchli tarzda aniqlanmagan).

O'lchovli zarrachalarni chiqarishga qodir bo'lgan zarralar tegishli kuchlar maydoni bilan o'ralgan deyiladi. Shunday qilib, fotonlarni chiqarishga qodir elektronlar elektr va bilan o'ralgan magnit maydonlar, shuningdek, zaif va tortishish maydonlari. Kvarklar ham bu maydonlarning barchasi bilan o'ralgan, balki kuchli o'zaro ta'sir maydoni bilan ham o'ralgan. Rang kuchlari sohasida rang zaryadiga ega bo'lgan zarralar rang kuchiga ta'sir qiladi. Xuddi shu narsa tabiatning boshqa kuchlariga ham tegishli. Demak, dunyo materiyadan (moddiy zarrachalar) va maydondan (o'lchov zarrachalaridan) iborat deb aytishimiz mumkin. Bu haqda quyida batafsilroq.

Antimodda.

Har bir zarrachada antipartikul mavjud bo'lib, uning yordamida zarracha o'zaro yo'q bo'lib ketishi mumkin, ya'ni. "yo'q qilish", natijada energiya ajralib chiqadi. Biroq, o'z-o'zidan "sof" energiya mavjud emas; Annigilyatsiya natijasida bu energiyani olib ketadigan yangi zarralar (masalan, fotonlar) paydo bo'ladi.

Aksariyat hollarda antipartikul mos keladigan zarrachaga qarama-qarshi xususiyatlarga ega: agar zarracha kuchli, kuchsiz yoki elektromagnit maydonlar ta'sirida chapga harakat qilsa, uning antizarrasi o'ngga siljiydi. Xulosa qilib aytganda, antizarra barcha zaryadlarning qarama-qarshi belgilariga ega (massaviy zaryaddan tashqari). Agar zarracha neytron kabi kompozit bo'lsa, uning antizarrasi qarama-qarshi zaryad belgilariga ega bo'lgan komponentlardan iborat. Shunday qilib, antielektronning elektr zaryadi +1, kuchsiz zaryadi +1/2 va pozitron deyiladi. Antineytron tarkibiga kiradi Va-elektr zaryadli antikvarklar –2/3 va d-elektr zaryadli +1/3 antikvarklar. Haqiqiy neytral zarralar o'zlarining antizarralaridir: fotonning antizarrasi fotondir.

Zamonaviy nazariy tushunchalarga ko'ra, tabiatda mavjud bo'lgan har bir zarraning o'ziga xos antizarrasi bo'lishi kerak. Va haqiqatan ham laboratoriyada ko'plab antizarralar, jumladan pozitronlar va antineytronlar olingan. Buning oqibatlari juda muhim va barcha eksperimental zarrachalar fizikasining asosini yotadi. Nisbiylik nazariyasiga ko'ra, massa va energiya ekvivalentdir va ma'lum sharoitlarda energiya massaga aylanishi mumkin. Zaryad saqlanib qolgan va vakuumning zaryadi (bo'sh bo'shliq) nolga teng bo'lganligi sababli, vakuumdan har qanday juft zarralar va antizarralar (nol aniq zaryadga ega) sehrgarning shlyapasidan quyonlar kabi vakuumdan chiqishi mumkin, agar etarli energiya mavjud bo'lsa. ularning massasini yaratish.

Zarrachalarning avlodlari.

Tezlatgichlarda o'tkazilgan tajribalar shuni ko'rsatdiki, moddiy zarralarning to'rtligi (kvarteti) kamida ikki marta ko'proq takrorlanadi. yuqori qiymatlar ommaviy. Ikkinchi avlodda elektronning o'rnini muon egallaydi (massasi elektronning massasidan taxminan 200 baravar katta, ammo boshqa barcha zaryadlarning bir xil qiymatlari bilan), elektron neytrinoning o'rni. muon tomonidan olingan (elektron elektron neytrino bilan bir xil tarzda kuchsiz o'zaro ta'sirlarda muonga hamroh bo'ladi), joylashtiring Va-kvark egallaydi Bilan-kvark ( Maftun bo'ldim), A d-kvark - s-kvark ( g'alati). Uchinchi avlodda kvartet tau lepton, tau neytrino, t-kvark va b-kvark.

Og'irligi t-kvark eng engilining massasidan taxminan 500 marta kattadir - d-kvark. Eksperimental ravishda yorug'lik neytrinolarining faqat uchta turi mavjudligi aniqlangan. Shunday qilib, zarralarning to'rtinchi avlodi yo umuman yo'q, yoki tegishli neytrinolar juda og'ir. Bu kosmologik ma'lumotlarga mos keladi, unga ko'ra yorug'lik neytrinolarining to'rt turidan ko'p bo'lmasligi mumkin.

Yuqori energiyali zarralar bilan olib borilgan tajribalarda elektron, muon, tau lepton va tegishli neytrinolar ajratilgan zarrachalar vazifasini bajaradi. Ular rangli zaryadga ega emaslar va faqat zaif va elektromagnit o'zaro ta'sirlarga kirishadilar. Ular birgalikda chaqiriladi leptonlar.

Kvarklar, rang kuchlari ta'sirida, yuqori energiyali fizika tajribalarida ustunlik qiladigan kuchli o'zaro ta'sir qiluvchi zarrachalarga birlashadi. Bunday zarralar deyiladi hadronlar. Ular ikkita kichik sinfni o'z ichiga oladi: barionlar(masalan, proton va neytron), ular uchta kvarkdan tashkil topgan va mezonlar, kvark va antikvarkdan iborat. 1947 yilda kosmik nurlarda pion (yoki pi-mezon) deb nomlangan birinchi mezon topildi va bir muncha vaqt bu zarralar almashinuvi yadro kuchlarining asosiy sababi deb hisoblangan. 1964 yilda Brukxaven milliy laboratoriyasida (AQSh) topilgan omega-minus adronlar va JPS zarrasi ( J/y-mezon), 1974 yilda Brukxavenda va Stenford chiziqli tezlatgich markazida (shuningdek AQShda) bir vaqtning o'zida kashf etilgan. Omega minus zarrachaning mavjudligini M. Gell-Mann o'zining "" deb nomlangan asarida bashorat qilgan. S.U. 3 nazariyasi" (boshqa nomi "sakkiz karrali yo'l"), bunda kvarklarning mavjudligi ehtimoli birinchi marta taklif qilingan (va bu nom ularga berilgan). O'n yil o'tgach, zarrachaning kashfiyoti J/y mavjudligini tasdiqladi Bilan-kvark va nihoyat hammani kvark modeliga ham, elektromagnit va kuchsiz kuchlarni birlashtirgan nazariyaga ham ishontirdi ( pastga qarang).

Ikkinchi va uchinchi avlod zarralari birinchisidan kam emas. To'g'ri, ular soniyaning milliondan yoki milliarddan bir qismida paydo bo'lib, birinchi avlodning oddiy zarralariga: elektron, elektron neytrino va shuningdek, parchalanadi. Va- Va d-kvarklar. Nega tabiatda zarrachalarning bir necha avlodlari borligi haqidagi savol hanuzgacha sirligicha qolmoqda.

Kvarklar va leptonlarning turli avlodlari ko'pincha (bu, albatta, biroz eksantrik) zarrachalarning turli xil "lazzatlari" haqida gapiriladi. Ularni tushuntirish zarurati "lazzat" muammosi deb ataladi.

BAZONLAR VA FERMIONLAR, MAYDON VA MATERIYA

Zarrachalar orasidagi asosiy farqlardan biri bozonlar va fermionlar o'rtasidagi farqdir. Barcha zarralar ushbu ikkita asosiy sinfga bo'lingan. Bir xil bozonlar bir-birining ustiga chiqishi yoki bir-birining ustiga chiqishi mumkin, lekin bir xil fermionlar bir-birining ustiga chiqishi mumkin emas. Superpozitsiya kvant mexanikasi tabiatni ajratadigan diskret energiya holatlarida sodir bo'ladi (yoki sodir bo'lmaydi). Bu holatlar zarrachalar joylashtirilishi mumkin bo'lgan alohida hujayralarga o'xshaydi. Shunday qilib, siz bitta hujayraga xohlaganingizcha bir xil bozonlarni qo'yishingiz mumkin, lekin faqat bitta fermion.

Misol tariqasida, atom yadrosini aylanib yuruvchi elektron uchun shunday hujayralarni yoki "holatlarni" ko'rib chiqing. Sayyoralardan farqli o'laroq quyosh sistemasi, elektron, kvant mexanikasi qonunlariga ko'ra, hech qanday elliptik orbitada aylana olmaydi; u uchun faqat ruxsat etilgan "harakat holatlari" ning diskret qatori mavjud. Elektrondan yadrogacha bo'lgan masofaga qarab guruhlangan bunday holatlar to'plami deyiladi orbitallar. Birinchi orbitalda burchak impulslari har xil bo'lgan ikkita holat va shuning uchun ruxsat etilgan ikkita hujayra, yuqori orbitallarda esa sakkiz yoki undan ko'p hujayralar mavjud.

Elektron fermion bo'lganligi sababli, har bir hujayrada faqat bitta elektron bo'lishi mumkin. Bundan juda muhim oqibatlar kelib chiqadi - barcha kimyo, chunki moddalarning kimyoviy xossalari tegishli atomlar orasidagi o'zaro ta'sirlar bilan belgilanadi. Agar siz elementlarning davriy tizimidan bir atomdan ikkinchisiga yadrodagi protonlar sonini bir marta ko'paytirish tartibida o'tsangiz (elektronlar soni ham shunga mos ravishda ortadi), u holda birinchi ikkita elektron birinchi orbitalni egallaydi, keyingi sakkiztasi ikkinchisida joylashgan bo'ladi va hokazo. Elementdan elementga atomlarning elektron tuzilishidagi bu izchil o'zgarish ulardagi naqshlarni aniqlaydi kimyoviy xossalari.

Agar elektronlar bozon bo'lsa, atomdagi barcha elektronlar minimal energiyaga mos keladigan bir xil orbitalni egallashi mumkin edi. Bunday holda, Olamdagi barcha materiyaning xususiyatlari butunlay boshqacha bo'lar edi va biz bilgan shakldagi Olam bu mumkin emas edi.

Barcha leptonlar - elektron, muon, tau lepton va ularga mos keladigan neytrinolar fermionlardir. Kvarklar haqida ham shunday deyish mumkin. Shunday qilib, koinotning asosiy to'ldiruvchisi bo'lgan "materiya" ni tashkil etuvchi barcha zarralar, shuningdek, ko'rinmas neytrinolar fermionlardir. Bu juda muhim: fermionlar birlasha olmaydi, shuning uchun ham xuddi shu narsa moddiy dunyodagi narsalarga tegishli.

Shu bilan birga, o'zaro ta'sir qiluvchi moddiy zarralar o'rtasida almashinadigan va kuchlar maydonini yaratadigan barcha "o'lchov zarralari" ( yuqoriga qarang), bozonlardir, bu ham juda muhim. Shunday qilib, masalan, ko'plab fotonlar bir holatda bo'lishi mumkin, magnit maydon yoki magnit atrofida magnit maydon hosil qiladi elektr maydoni elektr zaryadi atrofida. Buning yordamida lazer ham mumkin.

Spin.

Bozonlar va fermionlar o'rtasidagi farq elementar zarrachalarning yana bir xususiyati bilan bog'liq - aylanish. Ajablanarlisi shundaki, barcha asosiy zarralar o'zlarining burchak momentlariga ega yoki oddiyroq aytganda, o'z o'qi atrofida aylanadilar. Impuls burchagi aylanish harakatining xarakteristikasidir, xuddi translatsiya harakatining umumiy impulsi kabi. Har qanday o'zaro ta'sirda burchak momentum va impuls saqlanib qoladi.

Mikrokosmosda burchak momenti kvantlanadi, ya'ni. diskret qiymatlarni oladi. Tegishli o'lchov birliklarida leptonlar va kvarklar spini 1/2 ga, kalibrli zarrachalar esa 1 spinga ega (hali tajribada kuzatilmagan, lekin nazariy jihatdan 2 spinga ega bo'lishi kerak bo'lgan gravitondan tashqari). Leptonlar va kvarklar fermionlar, o'lchov zarralari esa bozonlar bo'lganligi sababli, "fermionlik" spin 1/2 bilan, "bozonlik" esa 1 (yoki 2) spin bilan bog'liq deb taxmin qilishimiz mumkin. Haqiqatan ham, tajriba ham, nazariya ham agar zarracha yarim butun spinga ega bo‘lsa, u fermion, agar butun spinga ega bo‘lsa, u bozon ekanligini tasdiqlaydi.

O‘LCHISH NAZARIYASI VA GEOMETRIYA

Barcha holatlarda kuchlar fermionlar orasidagi bozonlarning almashinuvi tufayli yuzaga keladi. Shunday qilib, ikkita kvark (kvarklar - fermionlar) o'rtasidagi o'zaro ta'sirning rang kuchi glyuonlarning almashinuvi tufayli yuzaga keladi. Shunga o'xshash almashinuv doimiy ravishda protonlar, neytronlar va atom yadrolarida sodir bo'ladi. Xuddi shunday, elektronlar va kvarklar o'rtasida almashinadigan fotonlar atomda elektronlarni ushlab turuvchi elektr tortishish kuchlarini yaratadi va leptonlar va kvarklar o'rtasida almashinadigan oraliq vektor bozonlari yulduzlardagi termoyadro reaktsiyalarida protonlarni neytronlarga aylantirish uchun mas'ul bo'lgan zaif kuchlarni yaratadi.

Ushbu almashinuvning nazariyasi oqlangan, sodda va ehtimol to'g'ri. U deyiladi o'lchov nazariyasi. Ammo hozirgi vaqtda faqat kuchli, kuchsiz va elektromagnit o'zaro ta'sirlarning mustaqil o'lchov nazariyalari va shunga o'xshash, ammo biroz boshqacha bo'lsa-da, tortishishning o'lchov nazariyasi mavjud. Eng muhim jismoniy muammolardan biri bu individual nazariyalarni yagona va ayni paytda oddiy nazariyaga qisqartirishdir, bunda ularning barchasi bitta haqiqatning turli tomonlariga aylanadi - kristalning yuzlari kabi.

O'lchov nazariyalarining eng oddiy va eng qadimgisi elektromagnit o'zaro ta'sirning o'lchov nazariyasidir. Unda elektronning zaryadi undan uzoqda joylashgan boshqa elektronning zaryadi bilan solishtiriladi (kalibrlanadi). To'lovlarni qanday taqqoslash mumkin? Siz, masalan, ikkinchi elektronni birinchisiga yaqinlashtirishingiz va ularning o'zaro ta'sir kuchlarini solishtirishingiz mumkin. Ammo elektron fazoning boshqa nuqtasiga o‘tganda uning zaryadi o‘zgarmaydimi? Tekshirishning yagona yo'li - yaqin elektrondan uzoqqa signal yuborish va u qanday reaksiyaga kirishishini ko'rish. Signal o'lchov zarrasi - fotondir. Uzoq zarrachalardagi zaryadni sinab ko'rish uchun foton kerak.

Matematik jihatdan bu nazariya nihoyatda aniq va chiroyli. Yuqorida tavsiflangan "o'lchov printsipi" dan barcha kvant elektrodinamika (elektromagnitizmning kvant nazariyasi), shuningdek nazariya kelib chiqadi. elektromagnit maydon Maksvell 19-asrning eng katta ilmiy yutuqlaridan biridir.

Nega bunday oddiy tamoyil shunchalik samarali? Ko'rinib turibdiki, u qandaydir korrelyatsiyani ifodalaydi turli qismlar Koinot, koinotda o'lchovlarni amalga oshirishga imkon beradi. Matematik nuqtai nazardan, maydon geometrik jihatdan qandaydir "ichki" bo'shliqning egri chizig'i sifatida talqin qilinadi. Zaryadni o'lchash zarracha atrofidagi umumiy "ichki egrilikni" o'lchashdir. Kuchli va zaif o'zaro ta'sirlarning o'lchov nazariyalari elektromagnit o'lchov nazariyasidan faqat tegishli zaryadning ichki geometrik "tuzilmasi" bilan farq qiladi. Ushbu ichki makon qayerda ekanligi haqidagi savolga bu erda muhokama qilinmaydigan ko'p o'lchovli birlashtirilgan maydon nazariyalari javob berishga intiladi.

Zarrachalar fizikasi hali tugallanmagan. Mavjud ma'lumotlar zarralar va kuchlarning tabiatini, shuningdek, fazo va vaqtning haqiqiy tabiati va hajmini to'liq tushunish uchun etarlimi yoki yo'qmi hali aniq emas. Buning uchun bizga 10 15 GeV energiyali tajribalar kerakmi yoki fikrlash kuchi yetarlimi? Hozircha javob yo'q. Lekin biz ishonch bilan aytishimiz mumkinki, yakuniy rasm oddiy, oqlangan va chiroyli bo'ladi. Ko'p fundamental g'oyalar bo'lmasligi mumkin: o'lchov printsipi, yuqori o'lchamdagi bo'shliqlar, qulash va kengayish va birinchi navbatda geometriya.

Shuningdek qarang

"Asosiy zarracha" maqolasiga sharh yozing

Eslatmalar

Havolalar

• S. A. Slavatinskiy// Moskva fizika-texnika instituti (Dolgoprudniy, Moskva viloyati)
• Slavatinskiy S.A. // SOZH, 2001 yil, № 2, bet. 62–68 arxiv web.archive.org/web/20060116134302/journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
• // nuclphys.sinp.msu.ru
• // second-physics.ru
• //physics.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru

Asosiy zarrachani tavsiflovchi parcha

Nisbatan yaqin vaqtgacha bir necha yuzlab zarralar va antizarralar elementar hisoblangan. Ularning xossalari va boshqa zarralar bilan o'zaro ta'sirini batafsil o'rganish va nazariyaning rivojlanishi shuni ko'rsatdiki, ularning aksariyati aslida elementar emas, chunki ularning o'zlari eng oddiy yoki, hozir aytganidek, asosiy zarralardan iborat. Asosiy zarralarning o'zi endi hech narsadan iborat emas. Ko'pgina tajribalar shuni ko'rsatdiki, barcha asosiy zarralar hech bo'lmaganda hozirda o'rganilayotgan eng kichik masofalargacha - 10-16 sm gacha bo'lgan ichki tuzilishga ega bo'lmagan o'lchamsiz nuqta jismlari kabi harakat qiladi.

Kirish

Zarralar orasidagi son-sanoqsiz va xilma-xil o'zaro ta'sir jarayonlari orasida to'rtta asosiy yoki asosiy o'zaro ta'sirlar mavjud: kuchli (yadro), elektromagnit va tortishish. Zarrachalar dunyosida gravitatsiyaviy o'zaro ta'sir juda zaif, uning roli hali ham noaniq va biz bu haqda boshqa gapirmaymiz.

Tabiatda zarralar ikki guruhga bo'linadi: barcha fundamental o'zaro ta'sirlarda ishtirok etadigan adronlar va faqat kuchli o'zaro ta'sirda qatnashmaydigan leptonlar.

Zamonaviy tushunchalarga ko'ra, zarralar orasidagi o'zaro ta'sirlar zarrachani o'rab turgan tegishli maydonning (kuchli, kuchsiz, elektromagnit) kvantlarini chiqarish va keyinchalik yutilishi orqali amalga oshiriladi. Bunday kvantlar o'lchovli bozonlar bo'lib, ular ham asosiy zarralardir. Bozonlar uchun spin deb ataladigan o'z burchak momentumi Plank doimiysi $h = 1,05 \cdot 10^(-27) erg \cdot s$ butun qiymatiga teng. Maydon kvantlari va shunga mos ravishda kuchli o'zaro ta'sir tashuvchilar g' belgisi bilan belgilanadigan glyuonlar, elektromagnit maydon kvantlari taniqli yorug'lik kvantlari - fotonlar, $\gamma $ bilan belgilanadi va kuchsiz maydon kvantlari va shunga mos ravishda kuchsiz o'zaro ta'sir tashuvchilardir. bor V± (juft ve)- va Z 0 (zet nol) bozonlar.

Bozonlardan farqli o'laroq, boshqa barcha asosiy zarralar fermionlar, ya'ni spin qiymatining yarim butun soniga teng bo'lgan zarralardir. h/2.

Jadvalda 1da asosiy fermionlar - leptonlar va kvarklarning belgilari ko'rsatilgan.

Har bir zarracha jadvalda ko'rsatilgan. 1, zarrachadan faqat elektr zaryadining belgilari va boshqa kvant raqamlari (2-jadvalga qarang) va zarracha momentumining yo'nalishiga nisbatan aylanish yo'nalishi bo'yicha farq qiluvchi antizarrachaga mos keladi. Biz antizarralarni zarrachalar bilan bir xil belgilar bilan belgilaymiz, ammo belgi ustidagi to'lqinli chiziq bilan.

Jadvaldagi zarralar. 1 yunon va lotin harflari bilan belgilanadi, xususan: $\nu$ harfi - uch xil neytrino, e - elektron harflari, $\mu$ - muon, $\tau$ - taon, u, c, t harflari, d, s, b kvarklarni bildiradi; ularning nomlari va xususiyatlari jadvalda keltirilgan. 2.

Jadvaldagi zarralar. 1 zamonaviy nazariya tuzilishiga ko'ra uch avlod I, II va III guruhlarga bo'lingan. Bizning koinotimiz birinchi avlod zarralari - leptonlar, kvarklar va o'lchovli bozonlardan qurilgan, ammo ko'rsatilganidek zamonaviy fan Koinotning rivojlanishi haqida, uning rivojlanishining dastlabki bosqichida har uch avlodning zarralari muhim rol o'ynadi.

Leptonlar

Birinchidan, leptonlarning xususiyatlarini batafsil ko'rib chiqaylik. Jadvalning yuqori qatorida. 1 uchta turli neytrinoni o'z ichiga oladi: elektron $\nu_e$, muon $\nu_m$ va tau neytrino $\nu_t$. Ularning massasi hali aniq o'lchanmagan, lekin uning yuqori chegarasi aniqlangan, masalan, elektron massasining 10 -5 ga teng ne (ya'ni $\leq 10^(-32)$ g).

Stolga qaraganingizda. 1, muqarrar ravishda tabiat uch xil neytrinolarni yaratishi kerak edi, degan savol tug'iladi. Bu savolga hozircha javob yo'q, chunki barcha zarrachalarning zarurligi va yetarliligini ko'rsatadigan va ularning asosiy xususiyatlarini tavsiflovchi fundamental zarralarning bunday keng qamrovli nazariyasi yaratilmagan. Ehtimol, bu muammo 21-asrda (yoki undan keyin) hal qilinadi.

Jadvalning pastki qatori. 1-bob biz eng ko'p o'rgangan zarracha, elektron bilan boshlanadi. Elektron o'tgan asrning oxirida ingliz fizigi J. Tomson tomonidan kashf etilgan. Bizning dunyomizda elektronlarning roli juda katta. Ular atom yadrolari bilan birgalikda Mendeleyev davriy sistemasidagi bizga ma'lum bo'lgan elementlarning barcha atomlarini tashkil etuvchi manfiy zaryadlangan zarralardir. Har bir atomda elektronlar soni atom yadrosidagi protonlar soniga to'liq teng bo'lib, atomni elektr neytral holga keltiradi.

Elektron barqaror; elektronni yo'q qilishning asosiy imkoniyati uning antipartikul - pozitron e + bilan to'qnashganda o'lishidir. Bu jarayon yo'q qilish deb ataladi:

$$e^- + e^+ \to \gamma + \gamma .$$

Annigilyatsiya natijasida ikkita gamma kvant hosil bo'ladi (yuqori energiyali fotonlar shunday deyiladi), ular ikkala qolgan e + va e - energiyalarini va ularning kinetik energiyalarini olib ketadi. Yuqori energiyalarda e + va e - adronlar va kvark juftlari hosil bo'ladi (masalan, (5) va 4-rasmga qarang).

Reaktsiya (1) A. Eynshteynning massa va energiya ekvivalentligi haqidagi mashhur formulasining to'g'riligini aniq ko'rsatadi: E = mc 2 .

Darhaqiqat, moddada to'xtab qolgan pozitron va tinch holatda bo'lgan elektronning annigilyatsiyasi vaqtida ularning butun tinch massasi (1,22 MeV ga teng) tinch massaga ega bo'lmagan $\gamma$-kvant energiyasiga aylanadi.

Jadvalning pastki chizig'ining ikkinchi avlodida. 1 joylashgan >muon - barcha xossalari boʻyicha elektronning analogi boʻlgan, lekin anomal darajada katta massaga ega boʻlgan zarracha. Myuonning massasi elektron massasidan 207 marta katta. Elektrondan farqli o'laroq, muon beqaror. Uning hayotining vaqti t= 2,2 · 10 -6 s. Myuon sxema bo'yicha afzal elektron va ikkita neytrinoga parchalanadi

$$\mu^- \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\mu)$$

Elektronning yanada og'irroq analogi $\tau$-lepton (taon) dir. Uning massasi elektron massasidan ($m_(\tau) = 1777$ MeV/c 2) 3 ming martadan ortiq, ya'ni proton va neytrondan og'irroqdir. Uning ishlash muddati 2,9 · 10 -13 s ni tashkil qiladi va uning parchalanishining yuzdan ortiq turli sxemalaridan (kanallaridan) quyidagilar mumkin:

$$\tau^-\left\langle\begin(matritsa) \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\tau)\\ \to \mu^- + \tilde \nu_\mu +\nu_ (\tau)\end(matritsa)\o'ng.$$

Leptonlar haqida gapirganda, zaif va elektromagnit kuchlarni ma'lum bir masofada solishtirish qiziq, masalan. R= 10 -13 sm.Bu masofada elektromagnit kuchlar kuchsiz kuchlardan deyarli 10 milliard marta katta. Ammo bu kuchsiz kuchlarning tabiatdagi roli unchalik katta emas degani emas. Arzimaydi.

Ko'pgina o'zaro o'zgarishlar uchun javobgar bo'lgan zaif kuchlardir turli zarralar boshqa zarrachalarga, masalan, (2), (3) reaktsiyalarda va bunday o'zaro konversiyalar zarralar fizikasining eng xarakterli xususiyatlaridan biridir. (2), (3) reaktsiyalardan farqli o'laroq, elektromagnit kuchlar (1) reaktsiyasida harakat qiladi.

Leptonlar haqida gapirganda, shuni qo'shimcha qilish kerakki, zamonaviy nazariya elektromagnit va kuchsiz o'zaro ta'sirlarni yagona elektrozaif nazariya yordamida tasvirlaydi. U 1967 yilda S.Vaynberg, A.Salam va S.Glashov tomonidan ishlab chiqilgan.

Kvarklar

Kvarklar haqidagi g'oya hadronlar deb ataladigan kuchli o'zaro ta'sirlarda ishtirok etadigan ko'p sonli zarralarni tasniflashning ajoyib urinishidan kelib chiqqan. M. Gell-Mann va G. Tsvayg barcha adronlar mos keladigan asosiy zarralar to'plamidan - kvarklardan, ularning antikvarklaridan va kuchli o'zaro ta'sir tashuvchilari - glyuonlardan iborat, deb taklif qildilar.

Hozirgi vaqtda kuzatilayotgan adronlarning umumiy soni yuzdan ortiq zarralarni (va bir xil miqdordagi antizarralarni) tashkil etadi. Ko'p o'nlab zarralar hali ro'yxatga olinmagan. Barcha adronlar og'ir zarrachalarga bo'linadi barionlar, va o'rtachalar, deb nomlangan mezonlar.

Barionlar barionlar soni bilan tavsiflanadi b zarralar uchun = 1 va b = -1 antibarionlar uchun. Ularning tug'ilishi va yo'q qilinishi har doim juft bo'lib sodir bo'ladi: baryon va antibarion. Mezonlarda barion zaryadi bor b = 0. Gell-Mann va Tsvayg g'oyasiga ko'ra, barcha barionlar uchta kvarkdan, antibarionlar esa uchta antikvarkdan iborat. Shuning uchun har bir kvarkga 1/3 barion soni berilgan, shuning uchun jami barion bor edi. b= 1 (yoki uchta antikvarkdan tashkil topgan antibarion uchun -1). Mezonlarning barion soni bor b= 0, shuning uchun ular har qanday kvark va har qanday antikvark juftlarining har qanday kombinatsiyasidan iborat bo'lishi mumkin. Barcha kvarklar uchun bir xil kvant raqamlari - spin va barion sonidan tashqari, ularning boshqa muhim xususiyatlari ham mavjud, masalan, ularning tinch massasining qiymati m, elektr zaryadining kattaligi Q/e(elektron zaryadining fraktsiyalarida e= 1,6 · 10 -19 kulon) va kvant sonlarining ma'lum bir to'plami deb ataladigan kvark ta'mi. Bularga quyidagilar kiradi:

1) izotopik spinning kattaligi I va uning uchinchi proyeksiyasining kattaligi, ya'ni I 3. Shunday qilib, u-kvark va d-kvark izotopik dublet hosil qiladi, ularga to'liq izotopik spin beriladi I= 1/2 proyeksiyalar bilan I 3 = +1/2 mos keladi u-kvark va I 3 = -1/2, mos keladi d-kvark. Dubletning ikkala komponenti ham o'xshash massa qiymatlariga ega va elektr zaryadidan tashqari barcha boshqa xususiyatlarda bir xil;

2) kvant soni S- g'alatilik, xarakterli yadro vaqtiga (~10 -23 s) nisbatan anomal darajada uzoq umrga (~10 -8 - 10 -13 s) ega bo'lgan ba'zi zarralarning g'alati xatti-harakatlarini tavsiflaydi. Zarrachalarning o'zi bir yoki bir nechta g'alati kvarklarni va g'alati antikvarklarni o'z ichiga olgan g'alati deb atalgan. Kuchli o'zaro ta'sir tufayli g'alati zarrachalarning tug'ilishi yoki yo'q bo'lib ketishi juft bo'lib sodir bo'ladi, ya'ni har qanday yadro reaktsiyasida reaktsiyadan oldingi $\Sigma$S yig'indisi reaksiyadan keyin $\Sigma$S ga teng bo'lishi kerak. Biroq, zaif o'zaro ta'sirlarda g'alatilikning saqlanish qonuni amal qilmaydi.

Tezlatgichlarda o'tkazilgan tajribalarda foydalanishni tasvirlab bo'lmaydigan zarralar kuzatildi u-, d- Va s-kvarklar. G'alatilikka o'xshab, yangi kvant raqamlari bilan yana uchta yangi kvarkni kiritish kerak edi BILAN = +1, IN= -1 va T= +1. Ushbu kvarklardan tashkil topgan zarralar sezilarli darajada kattaroq massaga ega (> 2 GeV/c 2). Ularning umri ~10-13 s bo'lgan turli xil parchalanish naqshlari mavjud. Barcha kvarklarning xarakteristikalari jadvalda keltirilgan. 2.

Har bir kvark jadvali. 2 sizning antikvarkingizga mos keladi. Antikvarklar uchun barcha kvant raqamlari kvark uchun ko'rsatilganiga qarama-qarshi belgiga ega. Kvark massasining kattaligi haqida quyidagilarni aytish kerak. Jadvalda keltirilgan. 2 ta qiymat yalang'och kvarklarning massasiga, ya'ni ularni o'rab turgan glyuonlarni hisobga olmagan holda kvarklarning o'ziga to'g'ri keladi. Kiyingan kvarklarning massasi glyuonlar tomonidan olib boriladigan energiya tufayli kattaroqdir. Bu, ayniqsa, engilroq uchun seziladi u- Va d-kvarklar, ularning glyuon qatlami taxminan 300 MeV energiyasiga ega.

Zarrachalarning asosiy fizik xossalarini belgilovchi kvarklar valentlik kvarklar deyiladi. Adronlarda valentlik kvarklardan tashqari virtual juft zarrachalar - kvarklar va antikvarklar mavjud bo'lib, ular glyuonlar tomonidan juda qisqa vaqt davomida chiqariladi va so'riladi.

(Qaerda E- virtual juftlik energiyasi), Heisenberg noaniqlik munosabatlariga muvofiq energiyaning saqlanish qonunini buzgan holda sodir bo'ladi. Kvarklarning virtual juftlari deyiladi dengiz kvarklari yoki dengiz kvarklari. Shunday qilib, adronlarning tuzilishiga valentlik va dengiz kvarklari va glyuonlar kiradi.

Barcha kvarklarning asosiy xususiyati shundaki, ular mos keladigan kuchli zaryadlarga ega. Kuchli maydon zaryadlari uchta teng navga ega (elektr kuchlari nazariyasida bitta elektr zaryad o'rniga). Tarixiy terminologiyada bu uch turdagi zaryadlar kvarklarning ranglari deb ataladi, xususan: qizil, yashil va ko'k. Shunday qilib, jadvaldagi har bir kvark. 1 va 2 uchta shaklda bo'lishi mumkin va rangli zarrachadir. Barcha uch rangni aralashtirish, xuddi optikada bo'lgani kabi, beradi oq rang, ya'ni zarracha rangini o'zgartiradi. Barcha kuzatilgan adronlar rangsizdir.

Kvarkning o'zaro ta'siri sakkiz xil glyuon tomonidan amalga oshiriladi. "Gluon" atamasi ma'nosini anglatadi inglizchada elim, ya'ni bu maydon kvantlari kvarklarni bir-biriga yopishtiruvchi zarralardir. Kvarklar singari, glyuonlar ham rangli zarralardir, lekin har bir glyuon bir vaqtning o'zida ikkita kvarkning rangini o'zgartirganligi sababli (glyuon chiqaradigan kvark va glyuonni yutuvchi kvark), glyuon ikki marta rangli bo'lib, rang va antikolorni olib yuradi, odatda. rangidan farq qiladi.

Foton singari glyuonlarning qolgan massasi nolga teng. Bundan tashqari, glyuonlar elektr neytral va zaif zaryadga ega emas.

Adronlar ham odatda barqaror zarrachalar va rezonanslarga bo'linadi: barion va mezon.
Rezonanslar juda qisqa umr (~10 -20 -10 -24 s) bilan tavsiflanadi, chunki ularning parchalanishi kuchli o'zaro ta'sirga bog'liq.

Bunday o'nlab zarralarni amerikalik fizik L.V. Alvares. Bunday zarralarning parchalanish yo'li shunchalik qisqa bo'lgani uchun ularni zarrachalar izlarini (masalan, pufak kamerasi va boshqalar) qayd qiluvchi detektorlarda kuzatish mumkin emasligi sababli, ularning barchasi bilvosita, cho'qqilar mavjudligi bilan aniqlangan. turli zarralarning bir-biri bilan energiya bo'yicha o'zaro ta'siri. 1-rasm buni tushuntiradi. Rasmda $\pi^+$ musbat pionning proton bilan oʻzaro taʼsir kesimining (ehtimollik qiymatiga mutanosib) bogʻliqligi koʻrsatilgan. p pionning kinetik energiyasidan. Taxminan 200 MeV energiyada, kesma davomida tepalik ko'rinadi. Uning kengligi $\Gamma = 110$ MeV va $\Delta^(++)$ zarrasining umumiy massasi $T^(")_(max)+M_p c^2+M_\pi c ga teng. ^2=1232$ MeV /s 2 , bu erda $T^(")_(max)$ - zarrachalarning massa markazi tizimidagi to'qnashuvining kinetik energiyasi. Aksariyat rezonanslarni barqaror zarrachalarning qo'zg'aluvchan holati deb hisoblash mumkin, chunki ular barqaror hamkasblari kabi bir xil kvark tarkibiga ega, garchi qo'zg'alish energiyasi tufayli rezonanslarning massasi kattaroq bo'lsa.

Hadronlarning kvark modeli

Biz adronlarning kvark modelini manbadan - rangli zaryadga ega va antikvarkda tugaydigan maydon chiziqlari chizmasi bilan tasvirlashni boshlaymiz (2-rasm, b). Taqqoslash uchun, rasmda. 2 va biz elektromagnit o'zaro ta'sir holatida kuch chiziqlari o'z manbasidan - elektr zaryadidan - fan kabi ajralib turishini ko'rsatamiz, chunki manba tomonidan bir vaqtning o'zida chiqariladigan virtual fotonlar bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilmaydi. Natijada biz Kulon qonunini olamiz.

Ushbu rasmdan farqli o'laroq, glyuonlarning o'zlari rangli zaryadlarga ega va bir-biri bilan kuchli o'zaro ta'sir qiladi. Natijada, elektr uzatish liniyalarining muxlisi o'rniga bizda rasmda ko'rsatilgan to'plam mavjud. 2, b. Arqon kvark va antikvark o'rtasida cho'zilgan, lekin eng hayratlanarlisi shundaki, glyuonlarning o'zlari rangli zaryadga ega bo'lib, kvarkdan uzoqlashganda ularning soni ko'payib borayotgan yangi glyuonlarning manbalariga aylanadi.
O'zaro ta'sirning bu rasmi rasmda ko'rsatilgan kvarklar orasidagi o'zaro ta'sirning potentsial energiyasining ular orasidagi masofaga bog'liqligiga mos keladi. 3. Ya'ni: masofaga qadar R> 10 -13 sm, U(R) bog'liqligi hunisimon xarakterga ega va bu masofa oralig'ida rang zaryadining kuchi nisbatan kichik, shuning uchun kvarklar R> 10 -15 sm, birinchi taxminga ko'ra, erkin, o'zaro ta'sir qilmaydigan zarralar sifatida qaralishi mumkin. Bu hodisa kichik kvarklarning asimptotik erkinligining maxsus nomiga ega R. Biroq, qachon R potentsial o'zaro ta'sir energiyasining ba'zi bir kritik $R_(cr) \taxminan 10^(-13)$ sm qiymatidan katta U(R) qiymatga to'g'ridan-to'g'ri proportsional bo'ladi R. Bundan to'g'ridan-to'g'ri kuch kelib chiqadi F = -dU/dR= const, ya'ni masofaga bog'liq emas. Ilgari fiziklar o'rgangan boshqa hech qanday o'zaro ta'sirlar bunday g'ayrioddiy xususiyatga ega emas edi.

Hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, kvark va antikvark o'rtasida ta'sir qiluvchi kuchlar, albatta, $R_(cr) \taxminan 10_(-13)$ sm dan boshlab, masofaga bog'liq bo'lishni to'xtatadi va 20 tonnaga yaqin ulkan kattalik darajasida qoladi. Masofada R~ 10 -12 sm (o'rtacha atom yadrolarining radiusiga teng) rangli kuchlar elektromagnit kuchlardan 100 ming martadan ortiq. Agar biz rang kuchini atom yadrosi ichidagi proton va neytron orasidagi yadro kuchlari bilan solishtirsak, rang kuchi minglab marta kattaroq ekanligi ma'lum bo'ladi! Shunday qilib, fiziklar oldida tabiatdagi rang kuchlarining yangi ulug'vor surati ochildi, bu hozirda ma'lum bo'lgan yadro kuchlaridan ko'p kattalikdagi buyurtmalar. Albatta, bunday kuchlarni energiya manbai sifatida ishlashga majbur qilish mumkinmi, degan savol darhol paydo bo'ladi. Afsuski, bu savolga javob salbiy.

Tabiiyki, yana bir savol tug'iladi: qaysi masofalarga? R kvarklar orasida potentsial energiya ortib borishi bilan chiziqli ravishda ortadi R?
Javob oddiy: katta masofalarda maydon chiziqlari to'plami uziladi, chunki kvark-antikvark juft zarrachalarining tug'ilishi bilan tanaffus hosil qilish energiya jihatidan qulayroqdir. Bu uzilish joyidagi potentsial energiya kvark va antikvarkning qolgan massasidan kattaroq bo'lganda sodir bo'ladi. Glyuon maydonining kuch chiziqlari to'plamini buzish jarayoni rasmda ko'rsatilgan. 2, V.

Kvark-antikvarkning tug'ilishi haqidagi bunday sifatli g'oyalar nima uchun yagona kvarklarning umuman kuzatilmasligi va tabiatda kuzatilishi mumkin emasligini tushunishga imkon beradi. Kvarklar adronlar ichida abadiy qoladilar. Kvarkning qamalishining bu hodisasi deyiladi qamoqqa olish. Yuqori energiyalarda toʻplam bir vaqtning oʻzida koʻp joylarda sinishi va koʻp $q\tilde q$-juftlarini hosil qilishi foydaliroq boʻlishi mumkin. Shu tarzda biz ko'p tug'ilish muammosiga yaqinlashamiz kvark-antikvark juftlari va qattiq kvark oqimlarining hosil bo'lishi.

Avval yorug'lik adronlarining, ya'ni mezonlarning tuzilishini ko'rib chiqamiz. Ular, yuqorida aytganimizdek, bitta kvark va bitta antikvarkdan iborat.

Juftning ikkala hamkori ham bir xil rang zaryadiga va bir xil anti-zaryadga (masalan, ko'k kvark va anti-ko'k antikvark) ega bo'lishi juda muhim, shuning uchun ularning juftligi, kvarklarning ta'midan qat'i nazar, rang yo'q (va biz faqat rangsiz zarralarni kuzatamiz).

Barcha kvarklar va antikvarklar spinga ega (kasrlarda h), 1/2 ga teng. Shuning uchun kvark va antikvark birikmasining umumiy spini spinlar antiparallel bo'lganda yoki 0 ga, spinlar bir-biriga parallel bo'lganda 1 ga teng. Ammo zarrachaning spini 1 dan katta bo'lishi mumkin, agar kvarklarning o'zi zarracha ichidagi ba'zi orbitalarda aylansa.

Jadvalda 3-rasmda kvarklarning ba'zi juftlashgan va murakkabroq birikmalari ko'rsatilgan bo'lib, bu kvark birikmasi avval ma'lum bo'lgan adronlarga mos kelishini ko'rsatadi.

Hozirgi vaqtda eng yaxshi o'rganilgan mezon va mezon rezonanslarining eng katta guruhi kvant raqamlari bo'lgan engil aromatik bo'lmagan zarralardan iborat. S = C = B= 0. Bu guruhga 40 ga yaqin zarralar kiradi. 3-jadval ingliz fizigi S.F tomonidan kashf etilgan $\pi$ ±,0 pionlari bilan boshlanadi. Pauell 1949 yilda. Zaryadlangan pionlar taxminan 10-8 soniya yashaydi va quyidagi sxema bo'yicha leptonlarga parchalanadi:

$\pi^+ \to \mu + \nu_(\mu)$ va $\pi^- \to \mu^- + \tilde \nu_(\mu)$.

Jadvalda ularning "qarindoshlari". 3 - rezonanslar $\rho$ ±,0 (rho-mezonlar), pionlardan farqli o'laroq, spinga ega. J= 1, ular beqaror va faqat taxminan 10 -23 s yashaydi. $\rho$ ±,0 yemirilishining sababi kuchli o'zaro ta'sirdir.

Zaryadlangan pionlarning parchalanishining sababi zaif o'zaro ta'sirga bog'liq, ya'ni zarrachani tashkil etuvchi kvarklarning qisqa vaqt davomida zaif o'zaro ta'sir natijasida chiqarish va yutish qobiliyatidir. t(4) munosabatiga ko'ra virtual o'lchovli bozonlar: $u \to d + W^+$ yoki $d \to u + W^-$ va leptonlardan farqli o'laroq, bir avlod kvarkning kvarkga o'tishlari. boshqa avlod ham amalga oshiriladi, masalan, $u \to b + W^+$ yoki $u \to s + W^+$ va boshqalar, garchi bunday o'tishlar bir avlod ichidagi o'tishlarga qaraganda ancha kam uchraydi. Shu bilan birga, bunday transformatsiyalarning barchasida reaktsiyadagi elektr zaryadi saqlanib qoladi.

Mezonlarni o'rganish, shu jumladan s- Va c-kvarklar bir necha o'nlab g'alati va maftunkor zarralarning kashf etilishiga olib keldi. Ularning tadqiqotlari hozirda ko'pchilikda olib borilmoqda ilmiy markazlar tinchlik.

Mezonlarni o'rganish, shu jumladan b- Va t-kvarklar tezlatkichlarda intensiv ravishda boshlangan va hozircha ular haqida batafsil gapirmaymiz.

Keling, og'ir adronlarni, ya'ni barionlarni ko'rib chiqishga o'tamiz. Ularning barchasi uchta kvarkdan iborat, ammo har uch xil rangga ega bo'lganlar, chunki mezonlar singari, barcha barionlar rangsizdir. Barionlar ichidagi kvarklar orbital harakatga ega bo'lishi mumkin. Bunday holda, zarrachaning umumiy spini kvarklarning umumiy spinidan oshib ketadi, 1/2 yoki 3/2 ga teng (agar uchta kvarkning spinlari bir-biriga parallel bo'lsa).

Minimal massaga ega bo'lgan barion protondir p(3-jadvalga qarang). Aynan protonlar va neytronlar barcha atom yadrolarini tashkil qiladi. kimyoviy elementlar. Yadrodagi protonlar soni uning umumiy elektr zaryadini aniqlaydi Z.

Atom yadrolarining boshqa asosiy zarrasi neytrondir n. Neytron protondan bir oz og'irroq, u beqaror va erkin holatda, umri taxminan 900 s bo'lib, u proton, elektron va neytrinoga parchalanadi. Jadvalda 3-rasmda protonning kvark holati ko'rsatilgan uud va neytron udd. Ammo kvarklarning bu birikmasining aylanishi bilan J= 3/2 rezonanslar mos ravishda $\Delta^+$ va $D^0$ hosil bo'ladi. Og'irroq kvarklardan tashkil topgan boshqa barcha barionlar s, b, t, va sezilarli darajada kattaroq massaga ega. Ular orasida alohida qiziqish bor edi V- -giperon, uchta g'alati kvarkdan iborat. U dastlab qog'ozda, ya'ni barionlarning kvark tuzilishi haqidagi g'oyalardan foydalanib, hisoblash yo'li bilan kashf etilgan. Bu zarrachaning barcha asosiy xossalari bashorat qilingan va keyin tajribalar bilan tasdiqlangan.

Ko'pgina eksperimental kuzatilgan faktlar hozirda kvarklarning mavjudligini ishonchli tarzda ko'rsatmoqda. Xususan, biz elektronlar va pozitronlarning to'qnashuv reaktsiyasida kvark-antikvark oqimlarining paydo bo'lishiga olib keladigan yangi jarayonning kashf etilishi haqida ketmoqda. Ushbu jarayonning diagrammasi rasmda ko'rsatilgan. 4. Tajriba Germaniya va AQShdagi kollayderlarda o'tkazildi. Rasmda o'qlar bilan nurlarning yo'nalishi ko'rsatilgan e+ va e- , va ularning to'qnashuv nuqtasidan kvark qochadi q va antikvark $\tilde q$ zenit burchagida $\Theta$ parvoz yo'nalishiga e+ va e- . Reaksiyada $q+\tilde q$ juftining bu tug'ilishi sodir bo'ladi

$$e^+ + e^- \to \gamma_(virt) \to q + \tilde q$$

Yuqorida aytib o'tganimizdek, elektr uzatish liniyalari to'plami (ko'pincha ip deb ataladi) etarlicha katta qismlarga bo'linadi.
Kvark va antikvarkning yuqori energiyasida, avval aytib o'tilganidek, ip ko'p joylarda uziladi, buning natijasida q kvark va antikvarkning uchish chizig'i bo'ylab har ikki yo'nalishda ikkilamchi rangsiz zarrachalarning ikkita tor nurlari hosil bo'ladi. rasmda ko'rsatilganidek. 4. Zarrachalarning bunday nurlari jetlar deyiladi. Ko'pincha eksperimental ravishda bir vaqtning o'zida uch, to'rt yoki undan ortiq zarrachalar oqimining shakllanishi kuzatiladi.

Ushbu maqola muallifi ishtirok etgan kosmik nurlardagi o'ta tezlatuvchi energiyalarda o'tkazilgan tajribalarda ko'plab reaktivlarning hosil bo'lish jarayonining fotosuratlari olindi. Gap shundaki, arqon yoki ip bir o'lchovli va shuning uchun uch, to'rt yoki undan ko'p reaktivlarning hosil bo'lish markazlari ham to'g'ri chiziq bo'ylab joylashgan.

Kuchli o'zaro ta'sirlarni tavsiflovchi nazariya deyiladi kvant xromodinamikasi yoki qisqacha QCD. Bu elektr kuchsiz o'zaro ta'sirlar nazariyasiga qaraganda ancha murakkab. QCD, ayniqsa, qattiq jarayonlar deb ataladigan jarayonlarni, ya'ni zarralar orasidagi impulsning katta o'zgarishi bilan zarralarning o'zaro ta'siri jarayonlarini tavsiflashda muvaffaqiyatli. Nazariyaning yaratilishi hali tugallanmagan bo'lsa-da, ko'plab nazariy fiziklar allaqachon "katta birlashtirish" ni - kvant xromodinamikasi va elektr zaif o'zaro ta'sir nazariyasini yagona nazariyaga birlashtirish bilan band.

Xulosa qilib aytganda, keling, oltita lepton va 18 ta rang-barang kvark (va ularning antizarralari), shuningdek, asosiy maydonlar kvantlari - foton yoki yo'qligini qisqacha ko'rib chiqamiz. V ± -, Z 0 bozon, sakkiz glyuon va nihoyat, tortishish maydonining kvantlari - gravitonlar - chinakam elementar, aniqrog'i, asosiy zarrachalarning butun arsenali. Ko'rinishidan, yo'q. Ehtimol, zarralar va maydonlarning tasvirlangan rasmlari faqat bizning hozirgi bilimlarimizni aks ettiradi. Haligacha kuzatilayotgan supersimmetrik zarralarning katta guruhini, o'ta og'ir kvarklarning oktetini va boshqa ko'p narsalarni o'z ichiga olgan juda ko'p nazariy g'oyalar mavjud ekanligi bejiz emas.

Shubhasiz, zamonaviy fizika zarrachalarning to‘liq nazariyasini yaratishdan hali uzoqda. Balki buyuk fizik Albert Eynshteyn to'g'ri bo'lgan bo'lsa kerak, u faqat tortishish kuchini hisobga olish, uning mikrodunyodagi ahamiyati juda kichik bo'lsa-da, zarrachalarning qat'iy nazariyasini yaratishga imkon beradi, deb ishongan. Ammo bularning barchasi 21-asrda yoki hatto undan keyin ham.

Adabiyot

1. Okun L.B. Elementar zarralar fizikasi. M.: Nauka, 1988 yil.

2. Kobzarev I.Yu. Laureatlar Nobel mukofoti 1979: S. Weinberg, S. Glashow, A. Salam // Tabiat. 1980. N 1. S. 84.

3. Zeldovich Ya.B. Piyodalar uchun taqdim etilgan elementar zarralar va kvarklarning tasnifi // Uspexi fiz. Sci. 1965. T. 8. B. 303.

4. Krainov V.P. Energiya va vaqt uchun noaniqlik aloqasi // Soros Educational Journal. 1998. N 5. S. 77-82.

5. Nambu I. Nima uchun erkin kvarklar yo'q // Uspekhi fiz. Sci. 1978. T. 124. B. 146.

6. Jdanov G.B., Maksimenko V.M., Slavatinskiy S.A. "Pomir" tajribasi // Tabiat. 1984. N 11. 24-bet

Maqola sharhlovchisi L.I. Sarycheva

S. A. Slavatinskiy Moskva fizika-texnika instituti, Dolgoprudniy, Moskva viloyati.