BOZONLAR va Kuchli, elektromagnit, kuchsiz va gravitatsion o`zaro taxsirlar

2. 2. BOZONLAR va Kuchli, elektromagnit, kuchsiz va gravitatsion o`zaro taxsirlar.
Higgs bozoni zarrachalar fizikasi Standart Modelidagi massiv skalar elementar zarrachadir. Peter Higgs sharafiga shunday nomlangan. Higgs bozoni Higgs maydoni kvantidir; u massasiz zarrachalarning qanday qilib materiya massasini hosil qilishini izohlab berishi mumkinligi faraz qilinmoqda. Higgs bozonini topish va aniqlash uchun 2010-yil boshlarida ishga tushirilgan Katta Adron Kollayderi (Large Hadron Collider, LHC) yordamida tajribalar oʻtkazilmoqda.2012-yil 4-iyulida CERN „Higgs bozoniga oʻxshash“ zarracha topilganini koʻrsatish uchun zaruriy „besh sigma“ darajasidagi dalil borligini tasdiqladi.
O’zarota’sirlarni birlashtirilishi.Bizni o`rab olgan moddiy olam - tabiat bizning ongimizga bog’liq bo`lmagan obxektiv borliq, real mavjudot - materiyadan tashkil topgan. Materiya ikki turda - modda va maydon ko`rinishlarida yashaydi. Modda tinchlikdagi massaga ega bo`lgan materiya turi bo`lib, oxir-oqibatda tinchlikdagi massasi nolga teng bo`lmagan elementar zarralar (elektron, proton va neytronlar) yig’indisiga keltiriladi. Fizik maydonlar materiyaning maxsus shakli bo`lib, erkinlik daraja soni cheksiz fizik sistemadir. Tabiatda to`rt xil fizik maydon mavjud: gravitatsion, elektromagnit, yadroviy va kuchsiz o`zaro taxsir maydonlari. Maydonlar zarralar o`zaro taxsirini uzatuvchi fazoning maxsus uyg’ongan holatigina bo`lib qolmasdan, ularni vujudga keltirgan zarralardan mustaqil holda ham mavjud bo`la oladi (masalan, elektromagnit to`lqinlar). Tajribalar ko`rsatadiki, maydon energiyasi va impulpsi diskret o`zgaradi, yaxni har bir fizik maydonga maxlum elementar zarralar - maydon kvantlari mos keladi (masalan, elektromagnit maydonga - fotonlar, yadroviy maydonga - , K- mezonlar va glyuonlar, gravitatsion maydonga - gravitonlar, kuchsiz o`zaro taxsir maydoniga - W va Zo oraliq bozonlar). Modda atom va molekulalardan tashkil topgan. Ular mikrodunyoning (xarakterli chegarasi 10-18 m < R <10-10 m) eng yirik vakillaridir. Atomlar yanada maydaroq obxektlar-elektronlar (Re 10-18 m) va atom yadrolari (Rya 10-14 m) dan tashkil topgan. Atom yadrolari o`z navbatida protonlar va neytronlar (nuklonlar)dan tuzilgan. Nuklonlar ham tarkibiy qismi murakkab bo`lgan elementar zarralar bo`lib, kvarklar deb ataluvchi “haqiqiy elementar” zarralardan qurilgan. elektronlar va kvarklar boshqa yanada maydaroq va elementarroq obxektga keltirilmaydigan “fundamental zarralar” dir (2.1.1-Jadval).
Elektr
|
Elektromagnetizm
|
Elektrokuchsiz o’zarota’sir
|
Standart model
|
?
|
Magnit
|
Yorug’li
|
Bette parchalanish
|
Kuchsiz o’zarota’sir
|
neytrino
|
protonlar
|
Kuchli o’zarota’sir
|
neytronlar
|
pionlar
|
tortishish
|
Universal gravitatsiya
|
Umumiy nisbiylik nazariyasi
|
Kvarklar “xushbo`ylik” kvant soni bo`yicha farqlanuvchi 6 turga bo`linadi va ular 3 ta dubletni tashkil etadi: (u, d), (c, s), (t, b). Har bir turdagi kvarklar “rang” kvant soniga ko`ra yana 3 xil navga bo`linadi. SHunday qilib, kvarklarning umumiy soni 18 ga etadi. Bundan tashqari 18 ta “antikvarklar” ham mavjud - jami bunday zarralar soni 36 ta. Barcha adronlar (mezonlar va barionlar) kvarklardan qurilgan. Har bir M mezon bitta kvark q va bitta antikvark , har bir barion V esa 3 ta kvark q dan tashkil topgan:
M = q, V = qqq. (2.1)
Kvarklar “kvantoviy bo`yalgan” (“qizil”, “yashil”, “havo rang”) mikroobxektlar, ularning elektr zaryadi (e-elektron zaryadi), spini esa (yaxni fermion) bo`lib, erkin holatda mavjud emas, balki “kvantoviy rangsiz” zarralar - adronlar tarkibiga kiradi. Yuqori energiyali elektronlar bilan proton va neytronlarni bombardimon qilish (“partonlar”-kvarklar aniqlandi) hamda elektronlar va pozitronlar dastalarining ro`paradan to`qnashish tajribalari “kvarklar modeli” ni bevosita tasdiqladi.
Hozirgi kunda fiziklarga 400 ga yaqin asosan turg’un bo`lmagan elementar zarralar maxlum. Ular qatnashadigan barcha jarayonlarda asosan uch turdagi fundamental o`zaro taxsir (va demak ularga mos maydonlar) namoyon bo`ladi. Kuchli o`zaro taxsir kvarklardan tashkil topgan murakkab elementar zarralar - adronlar (mezonlar, barionlar, giperonlar) o`rtasida amalga oshadi. Uni ko`pincha yadroviy o`zaro taxsir deb ham yuritiladi. Yadroviy kuchlar atom yadrolarining mustahkam turg’unligini taxminlaydi. elektromagnit o`zaro taxsir barcha elektr jihatdan zaryadlangan zarralarga (elektron, proton, pionlar va boshqalar) xarakterli bo`lib, xususan, atom va molekulalarni shakllanishiga olib keladi.
Kuchsiz o`zaro taxsir barcha elementar zarralarga xos va, masalan, ularning ko`pchiligini parchalanishiga - turg’unsizligiga sabab bo`ladi. To`rtinchi tur fundamental o`zaro taxsir - gravitatsion o`zaro taxsir har qanday zarralar va jismlar o`rtasida mavjud bo`lsada, biroq elementar zarralar uchun gravitatsion kuchlar shu darajada kichikki, ularni odatda hisobga olmaydilar.
Muammoli vaziyat. Fundamental o`zaro taxsir-larning hammasi almashinuv xarakteriga ega. Buning maxnosi shuki, har qanday ixtiyoriy ikki zarraning o`zaro taxsirlashuv elementar akti ular o`rtasida o`zaro taxsir tashuvchisi (maydon kvanti) bo`lgan uchinchi bir zarrani almashinish tufayli yuzaga chiqadi. O`zaro taxsir maydonlarining kvantlari “haqiqiy elementar” - fundamental zarralardir (glyuonlar, foton, oraliq bozonlar va graviton).
Shunday qilib, materiyaning har ikki ko`rinishi ham - modda va maydon diskret (kvantlashgan) strukturaga egadir. Zamonaviy tezlatkichlarda zarralarni yuqori energiyalargacha tezlatish imkoniyati elementar zarralarni o`rganishga keng sharoitlar yaratib berdi. Xususan, antiproton va antineytronlarni kashf etilishi sinxrofazotronda yuqori energiyali protonlar oqimini hosil qilish bilan bog’liq.
Umuman, 1932 yilda elektronning antizarrasi pozitron kuzatilgandan so`ng, barcha elementar zarralarni antizarralari ham bo`lishi lozim, degan fikr fizikada mustahkam o`rin oldi. Lekin antiproton 23 yildan so`ng, yaxni 1955 yilda Chemberlen, Segre, Vigand va Ipsilantis amalga oshirgan tajribada qayd qilindi. Ular 6,3 GeV gacha tezlatilgan protonlar bilan mis nishonni nurlatdilar. Bunda yuqori energiyali proton mis yadrosining tarkibidagi biror nuklon bilan taxsirlashadi va quyidagi reaktsiyalardan biri amalga oshadi:
r + r r + r + r +
yoki r + n r + n + r + -.
Antiprotonning elektr zaryadi manfiy, xususiy magnit mamenti mexanik momentga teskari yo`nalgan. Xuddi elektron va pozitron kabi proton va antiproton o`zaro annigilyatsiyalanadi. Antiproton neytron bilan to`qnashganda ham annigilyatsiyalanishi mumkin.
2.1.1-chizma. Standart model zarralari.
Bir yildan so`ng, yaxni 1956 yilda (Kork va Lambertson) antineytron kashf qilindi. Antineytronning xususiy magnit momentining yo`nalishi mexanik momentning yo`nalishi bilan bir xil. U proton yoki neytron bilan to`qnashganda annigilyatsiyalanishi mumkin.
Keyinchalik ( 19651966 y.) eng oddiy yadrolar deyteriy va tritiylarning antiyadrolari antideyteriy va antitritiylar kuzatildi.
Hozirgi vaqtda deyarli barcha zarralarning (foton, 0, - mezonlar, - va T-zarralardan tashqari) antizarralari mavjudligi aniqlangan. Antizarrani balgilash uchun zarraning belgisidan foydalaniladi, faqat belgi tepasiga to`lqinli chiziqcha qo`yiladi. 2.1.1-chizma elementar zarralar va ularning antizarralari keltirilgan.
Chizma ko`rinishicha, barcha zarralar to`rt gruppa shaklida joylashtirilgan. Birinchi gruppaga o`zining xususiyatlari bilan boshqa zarralardan ajralib turadigan maydon kvantlari — glyuonlar, foton, oraliq bazonlar va gravitonlar kiradi. Leptonlar gruppasi massalari 207 elektron massasidan kichik bo`lgan engil zarralardan tashkil topgan. Mezonlar gruppasiga kirgan zarralarning massalari esa leptonlardan og’irroq, lekin barionlar gruppasidagi zarralardan engilroq. SHuning uchun ularni o`rta massali zarralar gruppasi desa ham bo`ladi. Mezonlar va barionlar birgalikda umumiy nom bilan adronlar (kuchli taxsirlashuvchi zarralar) deb nomlanadi.
2.1.3-chizma. H-Xiggns bozonining ikkita fotonga parcvhalanishi.
2.1.2-chizma. Mikroolam o’zaro ta’siri:
a) Elektromagnit b) v) Kuchsiz va kuchli o’zarotasir Z - va W - bozon yutish va parchalanish
Zarralarni gruppalarga ajratishda ularning faqat massalari emas, balki boshqa xususiyatlari ham extiborga olingan. Masalan, leptonlar va barionlarning spinlari 1/2 ga (omega giperonning spini 3/2 ga teng),mezonlarniki 0 ga, fotonniki esa 1 ga teng. Zarralar yana bir xususiyati bilan bir biridan farqlanadi.
Bu xususiyat zarralar orasidagi taxsir xarakteridir. O`zaro taxsirning to`rt turi mavjudligini yuqorida ko`rsatib o`tdik.
Barionlar va mezonlar gruppalariga oid zarralarda kuchli o`zaro taxsir namoyon bo`ladi. Ba`zi zarralar bir vaqtning o`zida bir necha o`zaro taxsirda qatnashish qobilyatiga ega. Masalan, proton boshqa zarralar bilan kuchli, elektromagnit, kuchsiz o`zaro taxsirlarda bo`la oladi.
Keyingi yillarda kuchli o`zaro taxsirda qatnashadigan zarralar oilasi rezonanslar deb ataladigan zarralarning katta gruppasi bilan to`ldi. Rezonanslarning yashash davomiyligi (10221023) s chamasida. Birinchi marta rezonanslarni 1952 yilda e. Fermi pi mezonlarning protonlarda sochilishini tekshirish jarayonida kuzatgan. Mazkur tajribada mezonlarning sochilish extimolligini ularning energiyasiga bog’liqligini ifodalovchi grafikda keskin maksimum kuzatildi. Bu maksimum xuddi mayatnikning majburiy tebranishida yuz beradigan rezonans xodisasidagi maksimumga o`xshaydi. Kashf etilgan zarrani rezonans deb atalishi ana shundan kelib chiqqan. Umuman, rezonansni zarra yoki pi — mezonning nuklonga “yopishgan” holati deb talqin qilish hozircha xal qilinmagan. Balki, nihoyat qisqa vaqtlar davomiyligida (rezonans uchun 10221023s ) zarra va pi mezonning nuklonga “yopishgan” holati tushunchalarining farqi yo`qdir. Biroq kashf qilingan rezonanslar soni anchagina bo`lib qoldi va ularni qo`shib hisoblaganda elementar zarralar soni uch yuz ellikdan ortib ketdi. Hozirgi zamon tasavvurlariga asosan, maxlum bo`lgan boshqa zarralardan tashkil topmagan zarrani elementar deb atash mumkin, xolos. Masalan, vodorod atomi proton va elektrondan iborat. SHuning uchun uni elementar zarra deb bo`lmaydi. Balki vodorod atomi elementar zarralardan tashkil topgan sistemadir. Neytron chi? Neytron
n r + e +
sxema bo`yicha emiriladi, lekin u proton, elektron va antineytrinodan iborat sistema emas, bu zarralar neytron emirilayotgan lahzada vujudga keladi (xuddi yadroning uyg’ongan holatidan asosiy holatga o`tishida foton hosil bo`lganidek). SHuning uchun hozirgi tasavvurlarga asosan neytron elementar zarradir. Biroq shunga qaramay, olimlar maxum elementar zarralardan ham elementarroq zarralar mavjud emasmikan? degan savolga javob qidirmoqdalar. Baxzi nazariyotchi fiziklarning fikricha, tabiatda xali kashf qilinmagan zarralar mavjudki, bu zarralardan hozircha elementar deb atalayotgan zarralar tashkil topgandir.
Har bir elementar zarra uning o`ziga xos o`zaro taxsirlardan tashqari bir qator fizik xarakteristikalarga ega bo`lib, ularga mos fizik kattaliklarning qiymatlari diskret-kvantlashgandir (saqlanish qonunlari mavjud):
a) umumiy xarakteristikalar: massa m, yashash vaqti , spin Sz, elektr zaryad q;
b) “ichki kvant sonlar”: lepton zaryad L, barion zaryad V, “g’alatilik” S, “maftunkorlik” S, “go`zallik” v, izotopik spin I, ichki juftlik R.
Elementar zarralarning eng muhim xususiyatlaridan biri shuki, ular tug’ilishi va yo`qolishi hamda bir-birlariga aylanishlari mumkin. SHuni alohida takidlash joizki, yangi hosil bo`ladigan zarrachalar dastlabki zarrachalar tarkibida mavjud bo`lmasdan, balki ularning bevosita to`qnashish (sochilish) yoki emirilish jarayonlarida tug’iladi. Masalan,
“annigilyatsiya” - e- + e+ 2 ,
“qayta zaryadlanish” - +r +n ,
“emirilish” -
- e- + , + e+ +( 10-6 c),
++ +, - - + ( 10-8 c)
Elementar zarralarning aynan bir-birlariga aylanish jarayonlarida ilgari maxlum bo`lmagan zarrachalarning ochilish ehtimolligi eng yuqoridir. Buning uchun oldindan maxlum turg’un zarralarni mumkin qadar yuqori energiyada bir-birlari bilan to`qnashtiradilar. So`ngra bunda kechadigan reaktsiya maxsulotlari va hosil bo`lgan yangi zarrachalarni emirilish fragmentlari tadqiq etiladi. Masalan,
- +r K+ + -,
r + r K+ + o + r
reaktsiyalarda “g’alati” zarralar: K+ - mezon, - va o - giperonlar kashf qilingan.
|