15-Mavzu: Elementar zarralar fizikasi tarixi va tushunchalari Reja

Mexanismi	Intensivligi	Ta’sir radiusi (m)
Ta’sir vaqti (sek)
Kuchli	Glyuonlar
Electromagnit	Foton
Kuchsiz	Oraliq bozonlar
Gravitatsion	Graviton

Endi shu jadvaldagi kattaliklar va o’zaro ta’sir mexanizmini izohlab o’tamiz, Kuchli ta’sir proton va neytronni yadroda, hamda kvarklarni adronlarda ushlab turadi. Bu mexanizmga keyinchalik alohida ham to’xtalib o’tamiz. Hozirgi zamon fizikasi nuqtai - nazaridan yadroda proton va neytronlar o’zaro mezonlar bilan almashish hisobidan ushlab turiladi. Proton va neytron esa kvarklardan tuzilgan bo’lib (shu jumladan barcha adronlar) ular, ya’ni kvarklar shu zarralar ichida glyuonlar (inglizchadan glue -yelim, kley) orqali bog’lanib turadi. Endi proton va neytronlar orasidagi mezon almashish kuchlariga kelsak, bu mezonlar glyuon kuchlarining katta masofa, yani м dan katta bo’lgan masofadagi «qoldiq» kuchlari deb qaraladi. Endi kuchli ta’sirning intensivligiga kelsak, «yuguruvchi» o’zaro ta’sir doimiysi deb ataladi va boshqa o’zaro ta’sir doimiyliklaridan qiymatining masofa o’zgarishiga qarab o’zgarishi bilan xarakterlanadi. Shu sababli «yuguruvchi» o’zaro ta’sir doimiysi deyiladi va 0,1 dan 10 gacha bo’lgan oraliqda o’zgaradi, yani . Bu yerda S-“strong” kuchli degani. Bu ta’sir aytib o’tganimizday m masofada namoyon bo’ladi va o’zaro ta’sir vaqti s ga teng.

Elektromagnit ta’sir zaryadlangan va ma’lum strukturali (masalan, neytron - elektro neytral zarra bo’lishiga qaramasdan magnit momentiga ega) zarralar orasida sodir bo’lib, bu ta’sir fotonlar orqali amalga oshadi. Ta’sir
intensivligi - nozik struktura doimiysi bilan xarakterlanadi. Bu ta’sir masofasi -cheksiz bo’lib, o’zaro ta’sirlashish vaqti s ga teng.
Kuchsiz ta’sirda deyarli barcha zarralar qatnashadi va bu ta’sir ва - bozonlar orqali amalga oshadi. Ta’sir intensivligi -Fermi doimiysi orqali xarakterlanadi, bu yerda - proton massasi. Bu o’zaro ta’sir masofasi m bo’lib, juda sust, ya’ni s vaqt oralig’ida sodir bo’ladi.
Elementar zarralar olamida gravitatsion ta’sir juda ham sust bo’lib, o’zini deyarli namoyon qilmaydi, uning ta’sir vaqti aniqlanmagan, intensivligi ga teng, ta’sir masofasi esa dir. Massasi Plank massasidan, ya’ni, GeV dan katta jismlar uchungina gravitatsion ta’sir sezilarli bo’ladi.
Endi bevosita elementar zarralar klassifikatsiyasini qaraymiz. Kuchli ta’sirda (aniqrog’i elektromagnit va kuchsiz ta’sirda ham, yani barcha o’zarj ta’sirlarda) qatnashuvchi elementar zarralarga adronlar deyiladi. Adronlar o’z navbatida barionlar va mezonlarga bo’linadilar. Barionlar o’z navbatida nuklonlar (proton va neytronning umumiy nomi), giperonlar va rezonanslarga bo’linadilar, Giperonlar massasi protondan og’ir bo’lgan zarralardir. Ularga lyambda giperon - , sigma giperonlar -  ksi - giperonlar - kiradi. Giperonlarning o’rtacha yashash vaqti s ga teng. Rezonanslarning o’rtacha yashash vaqti juda kichik bo’lib, s ga teng. Ular o’tgan asrning 60 - yillarida ochilgan bo’lib, hozirda ular soni 300 dan ortiq. Nuklonlar va giperonlar yashash vaqti rezonanslarnikiga qaraganda ancha kattaligi uchun ular stabil zarralar deb ataladi. Proton haqiqiy stabil zarra hisoblanib, hozirgi vaqtda uning yashash vaqti yildan katta hisoblanadi.
Neytron esa erkin holatda minut atrofida yashaydi. Mezonlar ham o’z navbatida stabil va rezonans mezonlarga bo’linadi. Stabil mezonlarga mezonlar taaluqlidir. Ularning yashash vaqti s vaqt intervalida yotadi. Rezonans mezonlarga esa kabi mezonlar misol bo’ladi. Umuman, barion va mezon rezonanslarining yashash vaqti s oralig’ida yotadi. Ular juda qisqa vaqt mobaynida yashashiga qaramasdan ma’lum spin va juftlikka ega bo’lib, ma’lum ichki kvant sonlariga ham ega va shu sababli ham ularni elementar zarralar deb qaraladi. Rezonanslar aniq massaga ega emas va uzluksiz massa spektriga ega. Shu spektrning maksimumiga to’g’ri keluvchi qiymat rezopans massasi deb qabul qilinadi. ifodaga ko’ra, odatda jadvallarda rezonanslarning yashash vaqti o’rniga ularning parchalanish ehtimolligi - keltiriladi. Kuchli o’zaro ta’sirda qatnashmaydigan zarralarga leptonlar deyiladi. Hozirgi paytda 3 oila (avlod) leptonlar mavjud:
va ularning antizarralari .
_Elektron va positron - , neytrinolar ularning antineytrinolari stabil, - mezonlar va - leptonlar stabil emas. Barcha nostabil zarralarning yashash vaqti odatda jadvallarda keltiriladi. Leptonlar strukturaga ega emas. Shu ma’noda ular haqiqiy elementar - fundamental zarralardir, Masalan m masshtabda (zamonaviy tezlatgichlarda erishish mumkin bo’lgan energiyalarda) ham elektron strukturaga ega emasligini namoyon qilgan. Elektron, positron, - mezonlar va - _{leptonlar elektromagnit va kuchsiz o’zaro ta’sirda, neytrinolar va antineytrinolar esa faqat kuchsiz o’zaro ta’sirda qatnashadilar. Shunday qilib, hozircha zarralar klassifikatsiyasini ko’z oldimizga keltirish uchun quyidagi jadvalni ilova qilishimiz mumkin.}

Adronlar va leptonlar o’zlarining antizarrachalariga ega. Agar zarra va antizarra ustma - ust tushsa, ya’ni barcha xususiyatlari bir xil bo’lsa haqiqiy neytral zarra deyiladi. Masalan, - mezon haqiqiy neytral zarradir, ya’ni _, lekin neytron haqiqiy neytral zarra emas _. Zarralarning bu xususiyatiga keyinroq to’xtalib o’tamiz. Biz qarab chiqqan klassifikatsiyalash zarralarning o’zaro ta’sirlarda qatnashishiga qarab klassifikatsiyalanishi edi. Bundan tashqari ular yashash vaqti hamda spiniga qarab ham klassifikatsiyalanadilar. Ular yashahs vaqtiga qarab uch guruhga bo’linadilar.

1. Absolyut stabil zarralar. Hozirda foton, elektron, uch turdagi neytrino va proton va ularning antizarralari haqiqiy stabil zarra deb qaraladi. Ular boshqa zarralarga hech qachon parchalanmaydilar.
2. Stabil zarralar. Stabil zarralar uchun xarakterli yashash vaqti s bo’lib ularga asosan mezonlar misol bo’la oladi.
3. Resonans zarralar yoki rezonanslar. Rezonans zarralar uchun xarakterli yashash vaqti s bo’lib ularga mezonlarni kiritsa bo’ladi. Stabil zarralarning nomi ularning rezonans zarralarga nisbatan taxminan 10 tartib uzoq yashashi sababli shunday deb atalgan.
Zarralar spiniga qarab fermionlar va bozonlarga bo’linadilar. Fermionlar kasr spinga, bozonlar esa butun spinga ega. Shu ma’noda leptonlar, barionlar, kvarklar fermionlardir. Ta’sir tashuvchilar, mezonlar bozonlarga kiradi.
Ma’lumki, elementar zarralar olamida kuchli o’zaro ta’sirda qatnashuvchi zarralar – adronlar (adron - kuchli, yirik ma’nosini anglatuvchi yunoncha “hadros” so’zidan olingan)ga mansub zarralar ko’pchilikni tashkil qiladi. Shu bilan birga ma’lum bir belgisiga qarab adronlar turlicha nomdagi kichik guruhlarga ajratiladi. Adronlarning shunday bir guruhini “g’alati” zarralar deb atashadi. Xo’sh, bu zarralarning g’alatiligi nimada, ularning tabiatidagi boshqa adronlardan farqlanuvchi o’ziga xoslik nimadan iborat? G’alati zarralarning bu “g’alatilik” xususiyati to’g’risida talabalarda ma’lumot bo’lmasligi, ularning bu zarralar to’g’risida etarlicha tushunchaga ega emasliklariga va pirovard natijada ularda bu zarralar to’g’risida abstrakt, chalkash tasavvurlar shakllanishiga olib keladi. Shu bois, talabalarda g’alati zarralar va g’alatilik kvant soni to’g’risida mukammal, yaqqol tasavvur hosil qilish o’ta muhim ahamiyat kasb etadi. Bunday aniq tasavvur g’alati zarralar guruhi, ularning hosil bo’lishi, parchalanishlari va ushbu parchalanishlarda g’alatilik kvant sonining o’zini qanday tutishi to’g’risidagi bilimlar yaxlitligini ta’minlashga xizmat qilishi shubhasiz.
XX asrning 40-yillarida fanga bor-yo’g’i turdagi elementar zarra ma’lum edi. Bular foton, elektron (e^-), pozitron (e⁺), proton ( ), antiproton , neytron (n), antineytron , pionlar , myuonlar , neytrino va antineytrino (tajribada kuzatilmagan bo’lsa ham neytrino, antineytrino, antiproton va antineytronning mavjudligiga shubha yo’q edi). Lekin o’sha yillarda koinot nurlari tarkibida ushbu ma’lum zarralarga o’xshamaydigan zarralar qayd qilina boshlandi. Ularning o’ziga xosligi shundan iborat ediki, bu zarralar birlamchi koinot nurlari (ya’ni koinotdan kelayotgan zarralar oqimi)ning moddalar bilan ta’sirlashishi natijasida har doim juft holda (asosan, ikkita bo’lib) hosil bo’lishi edi. Birlamchi koinot nurlarining moddalar yoki atmosfera elementlari bilan to’qnashishidan (o’zaro ta’sirlashishidan) hosil bo’lgan bunday zarralarga ikkilamchi koinot nurlari deyiladi. Pufakli kameralar yordamida olingan minglab fotosuratlarda bunday, doimo ikkita bo’lib, juft holda hosil bo’ladigan zarralar V shaklida iz qoldirgani sababli, ular dastlab V-zarralar deb nomlandi. Jarayonda zarralar qoldirgan izlarni tahlil qilish V-zarralarning juda tez, taxminan sekund davomida hosil bo’lishini ko’rsatdi (tasvirda bu V shakldagi ikkita zarra deyarli nuqtada hosil bo’ladi). Hosil bo’lgan zarralar esa bir necha santimetr uzunlikda iz qoldirib yana oddiy zarralarga parchalanadi.

V-zarralarning tajribada kuzatilishi

Bu holat esa hosil bo’lgan zarralarning har biri alohida sekund davomida oddiy zarralarga sekin (sust) parchalanishini bildiradi. Demak, g’alati zarralar kuchli o’zaro ta’sir natijasida hosil bo’lib, kuchsiz o’zaro ta’sir ostida parchalanar ekan. Shunday qilib, XX asrning 50-yillari o’rtalariga kelib, g’alati zarralar turi 16 taga etadi. Bu g’alati zarralar quyidagilar: - mezonlar – , , lyambda - giperon - , sigma - giperonlar - , ksi - giperonlar - va ularning antizarralari, mos holda , mezonlar, va . Bu erda giperonlar deb massasi proton massasiga nisbatan og’ir bo’lgan barionlar nomlanishini eslatib o’tamiz (“og’ir, massiv” ma’nosini anglatuvchi yunoncha so’z).

G’alati zarralar oddiy zarralarning o’zaro ta’sir jarayonlarida hosil bo’lishi aniqlandi. Masalan, bunga quyidagi jarayonlarni keltirishimiz mumkin:
(1)
O’z navbatida g’alati zarralar kuchsiz o’zaro ta’sir ostida parchalanib, yana oddiy zarralarga aylanadilar. Masalan, quyidagi jarayonlar kabi:
(2)
Lekin, bir xil g’alati zarralarning juft hosil bo’lishi bunday jarayonlarda kuzatilmadi va bu hol ta’qiqlangan deb hisoblandi. Masalan,
(3) ga
o’xshash jarayonlar sodir bo’lmaydi. Yoki bo’lmasa, mezon modda bilan ta’sirlashishi natijasida giperon hosil bo’ladi:
, (4)
lekin - mezon modda bilan ta’sirlashganda bu giperon hosil bo’lmaydi.
Shunday qilib, g’alati zarralarning “g’alatiligi” ancha vaqtgacha mavhumligicha qoldi. Bu holatni tushuntirishga qaratilgan barcha urinishlar samara bermadi. Masalan, amerikalik fizik Marri Gell-Mann va yapon fizigi Katsuxiko Nishidjimalar tomonidan izotopik spin formalizmi yordamida g’alati zarralarni tushuntirishga bo’lgan urinish natija bermadi. Ular g’alati zarralarni izotopik spiniga qarab multipletlarga, ya’ni kichik guruhlarga birlashtirishga harakat qilishdi va shu asosda ularning o’zlarini “g’alati” tutishlari sababini izlashdi. Shu o’rinda “minimal” yoki “tuzilma” modellar to’g’risida ham to’xtalib o’tish maqsadga muvofiqdir.
XX asrning 40-yillari oxirlariga kelib adronlar turlarining oshishi bilan “minimal” (tuzilma) modellar qurishga zaruriyat tug’ildi. Bunday modellar g’oyasiga ko’ra, zarralarning faqat ayrimlarigina asosiy – fundamental bo’lib, qolgan barcha zarralar ushbu asosiy zarralardan tuzilgan bo’lishi kerak edi.
Shunday minimal modellardan dastlabkisi italiyalik Enriko Fermi va xitoy fizigi Chjen Ning Yang tomonidan 1949 yilda taklif qilingan edi. Bu paytga kelib, adronlardan - nuklonlar (proton va neytron) hamda pionlar ma’lum bo’lgani uchun bular proton ( ), neytron (n), antiproton va antineytron ni fundamental zarralar, mezonlarni esa nuklon - va antinuklon - ning birlashgan -holatlari deb qarashdi. G’alati zarralar tajribada kuzatilganidan keyin esa Fermi-Yangning minimal modelini modifikatsiya qilish zaruriyati tug’ildi. Shunday modifikatsiya qilingan modellardan diqqatga sazovori yapon fizigi Syoiti Sakata tomonidan 1956 yili taklif qilindi. Bu modelda proton, neytron, antiproton va antineytronlar bilan birga lyambda zarra - hamda anti lyambda zarra - asosiy zarralar, qolgan barcha adronlar ushbu zarralardan tuzilgan deb qaraldi. Bu modelga ko’ra g’alati zarralar tarkibida - yoki - zarralar ishtirok etadi va ularning “g’alati”ligini ta’minlaydi. Lekin, minimal modellar g’alati zarralar tabiatini ochib bera olmadi. Bundan tashqari, o’tgan asrning 60-yillariga kelib adronlarga mansub zarralar turlari soni yanada oshib ketdi. Bu holat adronlarning “elementar”ligiga, ya’ni strukturaga ega bo’lmagan, bo’linmas zarralar ekanligiga shubha bilan qarashga olib keldi. Shu sababli ham adronlar elementar zarralar emas, balki yanada elementar bo’lgan mayda zarralardan tuzilgan bo’lishi kerak, degan fikrlar paydo bo’la boshladi. Shunday qilib, 1964 yili mustaqil ravishda M.Gell-Mann va amerikalik fizik Jorj Sveyg tomonidan kvarklar g’oyasi ilgari surildi. J.Sveyg adronlarni tashkil qilgan bunday bo’linmas “bo’lak”larni “tuzlar” deb nomladi, lekin Gell-Mann taklif qilgan “kvarklar” nomi fanda qabul qilindi. Ular tomonidan qabul qilingan kvarklar hozirda (up – yuqori, bo’lganligi uchun), (down - past, bo’lganligi uchun) va (strange – g’alati, g’alatilik xususiyatiga egaligi, ya’ni bo’lganligi uchun) kvarklar deb nomlandi. Dastlabki kvarklar nazariyasiga ko’ra, barcha adronlar shu uchala kvark va antikvarklardan tashkil topgan. Shu nuqtai-nazardan bu nazariya Sakata modeliga o’xshashdir. Bu kvarklarning spini - , barion zaryadi - , izospini - , izospin proektsiyasi - , giperzaryadi - , g’alatilik kvant soni - , elektr zaryadi - to’g’risidagi ma’lumotlarni quyidagi jadvalda keltiramiz: