Elementar zarralarning fundamental o`zaro ta`sirlari

1.2. Elementar zarralarning fundamental o`zaro ta`sirlari.
Elementar zaralar uch asosiy klassga bo`linadi. Birinchi klassga faqat bitta zarra- foton (yorug`lik kvanti ) kiradi.
Ikkinchi klassni leptonlar taashkil etadi.Leptonlarga to`rtta zarra elektron, elektr neytrinosi, myuon, myuon neytrinosi kiradi. Neytrino leptonlarning leptonidir. Neytrinolar elektr zaryadi ega emas va ular o`zaro kuchsiz ta`sirdagina bo`ladi. Neytrino boshqa jism zarralari bilan shunchalik kuchsiz o`zoro tasirda bo`ladiki, hatto yer kurrasi ham u uchun xuddi yorug`lik uchun shishadek tiniqdir Uchinchi klass adronlar (grekcha-yirik) deb ataluvchi zarralardan tashkil topgan. Adronlarga mezonlar va barionlar gruppasidagi zarralar kiradi.
Ulardan tashqari bir necha yuz rezonanslar deb ataluvchi zarralar ham kiradi. Zarralarning ushbu klasslari ularning o`zaro ta’sirlarini xarakterlaydi. Masalan, foton faqat elektromagnit o`zaro tasirdagina bo`ladi. Leptonlar kuchsiz va gravitatsion o`zaro tasirda, adronlar esa gravitatsion, kuchsiz, elektromagnit va kuchli (yadroviy) o`zaro ta’sirda bo`la oladi. Zarralarning o`zaro tasirlari haqidagi bilimimiz oxirgi o`n yillar ichida tubdan o`zgarib ketdi. Ushbu o`zgarishlarni chuqur tushunish uchun zarralarning o`zaro ta’sirlarini avval 70- yillarning boshigacha qanday tasavvur etgan bo`lsak, shunday ko`rib chiqamiz.
Dastavval shuni aytish kerakki, yadro va yadro reaksiyalarining xususiyatrlariga asosan xuddi shu kuchli o`zaro ta`sir kuchlari javobgar. Proton va neytronlarni yadroda bog`lab turuvchi energiya juda katta. Yadro tarkibiga kiruvchi protonlar musbat zaryadgan ega. Protonlarning bir joyda bo`lishiga bir xil zaryadlarning Kulon qonuniga asosan bir-biridan itarilishiga yo`l qo`yilmasligi kerak. Demak, protonlarni yadroda bog`lab turish uchun yadroda elektrostatik itarish kuchlaridan katta tortishish kuchlari mavjud. Darhaqiqat, ikita protonning elektrostatik itarishishini yenggan holda bir-biriga qarab 1 fermi masofagacha yaqinlashtirsak, ular o`rtasidagi kulon itarilish kuchidan taxminan 100 marta katta bo`lgan tortishish kuchi vujudga keladi. Xuddi ana shu kuch musbat zaryadli protonlarni yadroda tutib turadi. Yarim Fermi masofada esa bu o`zaro ta’sir kuchi katta bo`lgan itarilish kuchiga aylanadi.
Elektromagnit kuchlaridan ko`p marta kuchli bo`lgan o`zaro ta’sir faqat protonlargagina xos emas. Neytronlar ham o`zaro va protonlar bilan xuddi
shu kuchlar vositasida bog`lanadi. Keyinchalik ko`ramizki, bunday kuchli o`zaro ta’sir adronlar deb atalgan gruppa zarralarining hammasiga xos.
Bilamizki,yadro proton va neytronlardan tuzilgan va yadro zarralari (proton va neytron bo`lishidan qat’iy nazar ) bir-biri bilan o`zaro kuchli ta’sirda bo`ladilar. Bu o`zaro ta’sir doirasining kichik bo`lganligi sababli har bir yadro zarrasi faqat qo`shni zarralar bilan o`zaro ta’sirda bo`ladi. Natijada hamma kimyoviy elementlarning yadrolari uchun proton va neytronlarning zichligi bir xil bo`ladi. Bu esa yuqorida eslatib o`tilgan yukava nazariyasini, ya’ni yadro zarralarini o`zaro bog`lovchi kuchlar shu zarralarning pi-mezonlar vositasida xususiyatlarini o`zaro almashib turishlari natijasida mavjud degan fikrni tasdiqlaydi. O`zaro almashinish mexanizmini quyidagicha tasavvur qilish mumkin. Proton yoki neytrondan har doim zaryadli yoki neytral pi-mezonlar chiqib turadi. Bu zarralar pi-mezonlar juda qisqa vaqt, taxminan 10-23 s yashaydi. Bu vaqt ichida ular 1 fermi masofada boshqa proton yoki neytron joylashgan bo`lsa, u o`ziga yetib kelgan pi-mezonni tez yutadi va qayta chiqaradi. Natijada shu yo`l bilan ikkita o`zaro yaqin joylashgan zarralar bir-biriga pi-mezonlar irg`itib turishlaridan ular orasida aloqa vujudga keladi.
Elementar zarralar o`zlarining massa va zaryadi bilan xarakterlanadi. U holda neytronning o`zidan qisqa muddatga pi-mezon chiqarib va yutib turish jarayonida energiyaning saqlanish qonuni buzilgandek bo`ladi. Neytron dastavval aniq energiyaga (massaga) ega. So`ngra bu yopiq sistema (ya’ni neytron) o`zidan pi-mezon chiqarib energiyasini pi-mezon energiyasigacha orttirdi. Natijada yopiq sistema uchun energiyaning saqlanish qonuni buzilgandek bo`ladi. Bu ziddiyat kvant nazariyasida osongina tushuntiriladi. Energiya–kvant noaniqliklari munosabati ga asosan o`lchash uchun qancha kichik vaqt ajratilgan bo`lsa, zarra energiyasi shuncha katta noaniqlik bilan o`lchanadi. Bu narsa mikrodunyoning qonuni bo`lib, o`lchov asboblarining xususiyatlari yoki o`lchovning o`zi bilan mutlaqo bog`liq emas. Bu qonunga asosan proton yoki neytronning massasini 10-23 s ichida o`lchamoqchi bo`lsak, pi-mezonning massasicha noaniqlik bilan o`lchagan bo`lar edik, ya’ni o`lchov asboblarimiz sezmaydigan juda kichik vaqtlar ichida proton yoki neytronning massasi o`zining doimiy qiymatdan ancha ortiq bo`ladi. Buning ustiga pi-mezonni qayd qilmoqchi bo`lsak, tug`ilish momentida uning energiyasini o`lchashimizdagi noaniqlik pi-mezonning tinch holat massasidan ortiq bo`ladi va natijada pi-mezon tug`ilganligini aniqlay olmaymiz.
Yadro zarralarining o`zaro tasirlashuvini pi-mezonlar almashishlari asosida tushuntirish taqribiydir. Haqiqatan, ikki nuklonning bir marta o`zaro pi-mezon bilan almashish vaqti 10-23 s ga teng. Bu vaqt ichida pi-mezon tug`ilishi, 1 fermi masofani o`tishi va ikkinchi zarrada yutilishi kerak. Yuqorida ko`rganimizdek, bunchalik qisqa vaqt ichida hech bir zarrani qayd qilolmaymiz. Pi-mezonlarning real hodisalarda ishtirok qiladigan, lekin kuzatib bo`lmaydigan holatini pi-mezonlarning virtual holati yoki qisqacha qilib virtual pi-mezonlar deymiz.
Endi mazkur virtual jarayonda energiyaning saqlanish qonunini ko`raylik. Kvant nazariyasiga asosan fizik qonunlar faqat kuzatiluvchi kattaliklarga taalluqlidir. Yuqoridagi virtual jarayonda pi-mezonning kuzata olmas ekanmiz, boshqacha aytganda , neytron energiyasining o`zgarishini aniqlay olmas ekanmiz, boshqacha aytganda, neytron energiyasining o`zgarishini aniqlay olmas ekanmiz, energiyaning saqlanishi haqidagi gap o`z-o`zidan ortiqchadir. Lekin bu virtual pi-mezonni real pi-mezonga aylantirishimiz mumkin. Buning uchun tashqaridan yetarli miqdorda (masalan, neytronni tezlatish bilan) energiya sarf qilishimiz kerak, xolos.
Elementar zarralar kuchli o`zaro ta’sirning o`lchamsiz doimiysi pionnuklon ta’sirlashuvining doimiysi g orqali quyidagicha xarakterlanadi:
Zarralarning elektromagnit o`zaro ta’sir kuchlari to`laroq o`rganilgan. Zarralarning elektromagnit o`zaro ta’sir kuchi kuchli o`zaro ta’sirga qaraganda ancha zaif, boshqa kuchlarga nisbatan esa o`ta kuchlidir. Elektromagnit kuchlarining ta'sir doirasi 10-14 m dan tortib kosmik masofagacha davom etadi. Ko`pchilik fizik hodisalar: atom va molekulalar tuzilishi, kristallar , ximiyaviy reaksiyalar, jismlarning termik va mexanik xussusiyatlari, radio to`lqinlar, quyosh va yulduzlarning nurlanishi kabi hodisalar elektromagnit kuchlarning ta’sir doirasiga kiradi.
Elektromagnit o`zaro ta`sir turli zarralarda har xil shiddat bilan namoyon bo`ladi . elektr zaryadiga ega bo`lgan zarralarda katta elektromagnit o`zaro ta’sirlar vujudga keladi. Massa va spini nolga teng bo`lmagan zaryadsiz zarralar o`zaro kuchsiz elektromagnit o`zaro spinsiz zarralar, masalan neytral pi-mezon bo`ladi. Zarralardan neytrino elektromagnit ta’sirni sezmaydi. Elektromagnit kuchlarining ta’sir doirasida shunday saqlanish qonunlari borki, bu qonunlar kuchsiz o`zaro ta’sirlar doirasida buziladi.
Kvant obyektlarining o`ziga xos xususiyatlariga ko`ra zarralarning o`zaro to`qnashuvini nazariy yo`l bilan tadqiqot qilish og`ir muammodir va asosan taqribiy olib boriladi. Agar o`zaro ta’sirni xarakterlovchi doimiyning qiymati birdan kichik bo`lsa hisoblash aniqligi yuqori bo`ladi. Elektromagnit kuchlari uchun
ekanligi tugal kvant elektrodinamikasining yaratilishiga imkon beradi (n=c=1 birliklar sistemasida a o`lchamsiz kattalik).
Elektromagnit o`zaro ta’sir zarralarning o`zidan foton chiqarib va yutib turishi jarayonida hosil bo`ladi deb tushuntiriladi. Bunday jarayon virtual, ya’ni kuzatib bo`lmaydigan jarayondir. Tashqaridan yetarli miqdorda energiya sarf qilsak, masalan, elektronni tezlatsak, virtual foton real fotonga aylanadi
Kvant nazariyasida o`zaro ta’sir jarayonining Feynman diagrammasi (birinchi marta amerikalik fizik Feynman qo`llagan) orqali grafik ravishda tasvirlash mumkin.
Yuqorida eslaganimizdek, mikrodunyoda u yoki bu hodisaning o`tish vaqti zarralar hayotida asosiy ko`rsatkichlardan biri bo`lib xizmat qildi. Zarralarda bo`ladigan xarakterli jarayonlar kuchli o`zaro ta`sir ostida 10-22 -10-23 s ichida yuz bersa , elektromagnit o`zaro ta`siri ostida 10-16-10-17 s ichida yuz beradi.
Bundan ham sekinroq (taxminan s dan o`nlab minutgacha) jarayonlar zarralarning cheksiz o`zaro ta’siriga nisbatan marta zaifroqdir. Lekin shunga qaramasdan oxirgi o`n yillikda fizikadagi muhim kashfiyotlar xuddi anashu o`zaro ta’sir bilan bog`liq. Elektromagnit o`zaro ta’sir bo`lmaganda edi tabiatda pi-mezonlardan og`ir zarralargina qolar edi. Massasi deyarli bir xil , lekin faqat zaryadlari bilan farq qiladigan zarralarni bir-biridan endi ajratib bo`lmas edi. (masalan, protonni neytrondan , uchala pi-mezonlarni bir-biridan va hokazo.) Atom va undan ham katta mashtablarda dunyo o`zgarib ketar edi. Atom ham, molekula ham, yorug`lik ham , jism ham bo`lmasdi.
Biz yuqorida elementar zarralar uch klassni tashkil etishni ko`rsatgan edik endi har bir klassga xos tipik zarralar guruppasi bilan tanishamiz . tanishishni tinch holatdagi massasi nolga teng bo`lgan zarra-foton bilan boshlaymiz. Foton nurlanishining kvant birligi elektromagnit maydonning “ qurilish g`ishtchasi”dir. Elektromagnit maydon nimadan iborat, eng mayda zarralar yoki faqat to`lqin jarayonlar? Qadimdan davom etgan bu baxsga Enshteyn 1905 yilda aniq javob berdi. Elektromagnit maydon o`ziga xos maxsus turdagi to`lqin jarayonidir. Elektromagnit maydon uzlukli diskret, kvant xarakteriga ega. U kichkina porsiyalar, kvantlar, yani fotonlar ko`rinishida nurlanadi, tarqaladi va yutiladi. Foton ikki xil tabiatga ega bo`lib, to`lqin va ham zarra sifatini kasb etadi. U bir tomondan tebranish chastotasi bilan xarakterlansa, ikkinchi tamondan zarra kabi energiya va impulsga ega.
Bu dualizm elementar zarralar uchun umumiy bo`lib, elementar zarralar darajasida tabiat tuzilishining bosh, asosiy xususiyatidir. Mikrodunyoning klasssik mexanika qonunlariga emas, balki katta aniqlik bilan kvant yoki to`lqin mexanikasi qonunlariga bo`ysunishining asosiy sababi ham shu dualizmdir.
Foton barqaror zarra bo`lib, spini birga teng. Foton spinining o`qiga proyeksiyalari
(1.2.1)
Fotonning spini yorug`lik nurlarining qutblanish xususiyatini xarakterlaydi. Yorug`likning aylanma qutblanishi uchun +1 spinga ega bo`ladi. Spinning ishorasi yorug`likning o`ng yoki chap qutblanishini bildiradi. Yorug`likning chiziqli qutblanishi uchun spin nolga teng bo`ladi.
Zarralar o`z spinlariga ko`ra tubdan bir-biridan farq qiluvchi ikki oilaga: bozon va fermionlarga bo`linadi. Bozonlar butun spinlik zarralar I=0,1,2,3…. Kirsa, fermionlarga yarimli butun spinlik I=1/2,3/2,5/2,… zarralar kiradi. Bu nomlar zarralar bo`ysunishi lozim bo`lgan statistik qonunlarning nomlanishidir. Bozonlar Boze-Eynshteyn statistikasiga bo`ysunadi. Bu statistikaga asosan har qanday yopiq sistemada bir xil xususiyatlarga ega bo`lgan ixtiyoriy miqdordagi zarralar joylasha oladi. Fermionlar esa Fermi-Dirak statistikasiga bo`ysunadi. Bir yopiq sistemada bir xil xususiyatlarga ega bo`lgan hatto ikkita fermion ham joylasha olmaydi.
Elektron – barqaror zarra. Erkin holatda cheksiz uzoq vaqt yashashi mumkin. Elektronning spini yarimga teng .demak, fermionlar oilasiga kiradi.
Proton vodorod atomining yadrosini tashkil qiladi. Uning spini I=1/2 , elektr zaryadi q=+1
Izospini T=1/2, u barqaror zarradir. Uning barion zaryadi B=+1.
Neytral zarra neytron zaryadsizligidan boshqa hamma kvant xarakteristikalari bilan pratonga o`xshaydi. Yuqorida eslatganimizdek Dirak tenglamasini proton uchun ham yozish mumkin. Bu holda ham tenglamadan musbat zaryad o`rniga manfiy zaryadni, lekin boshqa hamma xususiyatlari bilan pratonga aynan antizarra –antipratonning mavjudligi kelib chiqadi. Antipratonning qisqacha xarakteristikasi quyidagicha:
Massasi proton massasiga teng
Zaryadi praton zaryadiga teng, lekin ishorasi teskari
Vakumda cheksiz uzoq vaqt yashaydi
Proton yoki neytron bilan uchrashuvda o`zaro yo`q bo`lib, nurlanish energiyasi ajralib chiqadi
Hech qachon yolg`iz tug`ilmaydi, faqat proton yoki neytron bilan vujudga keladi
To`rtinchi va beshinchi xususiyatlarga asosan barion zaryadi B=;
Proton spiniga teng harakat miqdorining momentiga –spinga ega. Proton singari antiproton ham magnit momentga ega.
Shunisi borki, agar antiproton bilan bir xil yo`nalishda aylansa, antiprotonning magnit momenti protonning magnit momentiga miqdor jihatdan teng, ishorasi esa teskari bo`ladi. Yani magnit “qutblari” almashgan bo`ladi.
Neytron neytral zarra bo`lganligi sababli antineytron undan faqat magnit momentining yo`nalishi bilan farq qiladi.
1952 yilda mashhur Italyan fizigi E.Fermi pi-mezonlarning protonlarda sochilishini tekshirish jarayonida xususiyatlari mutlaqo boshqacha bo`lgan yangi zarra- rezonanslarni kashf qildi. Olim turli energiyalar bilan protonlarga yo`naltirilgan pi-mezonlar protondan yetarli darajada uzoq masofadan o`tsa, o`z yo`nalishini o`zgartirmasligini , to`qnash kelgan taqdirda esa xuddi shu toshga urilgan sochma o`qday har tomonga sochilishini aniqladi. Bunday tajribada , ma`lum boshlang`ich shartlarga ko`ra, sochilishning xarakteri bo`yicha nuklon hamda yadronining diametrini , yani kuchli o`zaro tasir xususiyatlarining xarakterli o`lchamini aniqlash mumkin. Lekin pi-mezonlarning energiyasi 200Mev ga yaqinlashsa, sochilayotgan pi-mezonlarning soni to`satdan ortib ketadi. Energiyaning yana ham ortirilishida pi-mezonlar yana xuddi avvalgidek sochila boshlaydi. Agar sochilayotgan pi-mezonlar sonining pi-mezonlarning energiyasiga bog`lanishini ifodalaydigan energiya aniqlanadi. Pi-mezonlar sochilishining egri chizig`I rezonans tebranishining egri chizig`i bilan o`xshashdir. Shuning uchun pi-mezonlarning protonlarga sochilishidagi mazkur maksimum holatlarda vujudga kelgan zarralarga rezonanslar deb nom berilgan.
|