Fizika ва kimyo” fakulteti “fizika” kafedrasi

II BOB. "ELEMENTAR ZARRALAR" TUSHUNCHASI
"Elementar" atamasining aniq ma'nosida - bu materiya tarkib topgan, ichki tuzilishga ega bo'lmagan asosiy bo'linmas elementar zarralar.
1932 yilga kelib zarralarning to'rt turi ma'lum bo'lgan: elektronlar, protonlar, neytronlar va fotonlar. Ushbu zarralar (fotondan tashqari) chindan ham kuzatilgan materiyaning tarkibiy qismlaridir.
1956 yilga kelib allaqachon 30 ga yaqin elementar zarralar kashf etilgan edi. Shunday qilib, kosmik nurlanish tarkibida pozitronlar (1932), muonlar (1936), p (pi) - mezonlar (1947), g'alati zarralar K (ka) - mezonlar va giperonlar topilgan. Ushbu sohadagi keyingi kashfiyotlar zarrachalarga yuzlab va minglab MeV tartibidagi energiyalar berib, katta tezlatgichlar yordamida amalga oshirildi. Antiprotonlar (1955) va antineutronlar (1956), og'ir giperon va rezonanslar (60-yillar), "maftunkor" va "yoqimli" zarralar (70-yillar), t (tau) - lepton ( 1975), n (upsilon) - massasi o'nga yaqin (!) Proton massasi bo'lgan zarracha, «chiroyli» zarralar (1981), oraliq vektor bosonlari (1983). Hozir bir necha yuz zarralar ma'lum va ularning soni o'sishda davom etmoqda.
Ushbu elementar zarrachalarning umumiy xususiyati shundaki, ular materiyaning mavjud bo'lishining o'ziga xos shakllari bo'lib, ular yadro va atomlar bilan bog'liq emas. Shu sababli " yadro zarralari "... Ushbu zarralarning aksariyati elementarlikning qat'iy ta'rifini qondirmaydi, chunki (zamonaviy tushunchalarga ko'ra) ular kompozitsion tizimlar, ya'ni ular ichki tuzilishga ega. Biroq, o'rnatilgan amaliyotga muvofiq, "elementar zarralar" atamasi saqlanib qoladi. Moddaning asosiy elementlari (masalan, elektron) deb da'vo qiladigan zarralar " haqiqatan ham boshlang'ich ".
Barcha elementar zarralar juda kichik massalarga ega: 10 -22 dan (oraliq bozonlar uchun) ~ 10 -27 gacha (elektron uchun). Eng engil zarralar neytrinlardir (uning massasi elektron massasidan 10 ming marta kam deb taxmin qilinadi). Elementar zarrachalarning kattaligi ham nihoyatda kichik: 10 -13 sm dan (adronlar uchun)< 10 -16 см у электронов и мюонов.
Mikroskopik massalar va o'lchamlar aniqlaydi kvantning o'ziga xos xususiyatlari elementar zarralarning harakati. Eng muhim kvant xususiyati - bu boshqa zarralar bilan o'zaro aloqada tug'ilish va yo'q qilish (emissiya va singdirish) qobiliyatidir.
Ko'pgina elementar zarralar beqaror: kosmik nurlarda yoki tezlatgichlarda tug'ilib, ular soniyaning bir qismigacha yashaydilar va keyin parchalanadilar. Zarrachalar barqarorligining o'lchovi o'rtacha umr t. Elektron, proton, foton va neytrin - mutlaqo barqaror zarralar(t® ¥), har holda, ularning parchalanishi eksperimental tarzda aniqlanmagan. Neytron yarim barqaror (t \u003d (898 ± 16) s. O'rtacha umr ko'rish davomiyligi 10 -6, 10 -8, 10 -10, 10 -13, 10 -16, 10 -20 s bo'lgan beqaror zarrachalar guruhlari mavjud. Eng yumshoq tirik zarralar rezonanslar : t ~ (10 -22 -10 -23) s.
Elementar zarralarning umumiy xarakteristikalari ham spin, elektr zaryadi q va ichki magnit momentdir. Spin odatda birliklarda ifodalanadi va faqat butun yoki yarim butun qiymatlarni oladi. U zarrachaning mumkin bo'lgan spin holatlari sonini, shuningdek, ushbu zarralar bo'ysunadigan statistika turini aniqlaydi. Shu asosda barcha zarrachalar bo'linadi fermionlar (yarim butun spinli zarrachalar) va bosonlar (butun spinli zarralar). Zarrachaning elektr zaryadi | e | elementar zaryadning butun soniga ko'paytmasi \u003d 1,6 × 10 -19 Cl. Ma'lum elementar zarralar uchun e birliklaridagi elektr zaryadi quyidagi qiymatlarni oladi: q \u003d 0, ± 1, ± 2. Fraksiyonel zaryadli zarralar - kvarklar - erkin holatda bo'lmang (5.3.2-bandga qarang).
Ichki magnit moment tashqi holatdagi zarrachaning tashqi magnit maydon bilan o'zaro ta'sirini tavsiflaydi. Vektorlar va
parallel yoki antiparallel.
Yuqorida sanab o'tilganlardan tashqari, elementar zarralar "ichki" deb nomlangan bir qator kvant xarakteristikalari bilan ham ajralib turadi (lepton zaryadi, barion zaryadi, g'aroyiblik va boshqalar).
Deyarli har bir zarracha mos keladi zarracha - massasi, umri, aylanishi bir xil bo'lgan zarracha; ularning qolgan xususiyatlari mutlaq qiymatga teng, ammo belgisiga qarama-qarshi (elektr zaryadi, magnit moment, ichki kvant xarakteristikalari). Ba'zi zarralar (masalan, foton) ichki kvant sonlariga ega emas va shuning uchun ularning zarrachalari bilan bir xil - bu chindan ham neytral zarralar.
Antipartikullar mavjudligi to'g'risida xulosani birinchi bo'lib P. Dirak (1930) qilgan. U zarrachaning holatini yarim spinli spin bilan tavsiflovchi relyativistik kvant tenglamasini keltirib chiqardi. Erkin zarracha uchun Dirak tenglamasi zarrachaning impulsi (p), energiya (E) va massasi (m) o'rtasidagi relyativistik munosabatlarga olib keladi:

Tinch holatda bo'lgan elektron uchun (p e \u003d 0) quyidagi energiya darajalari mumkin: va , energiya oralig'i "Taqiqlangan".
Maydonning kvant nazariyasida salbiy energiyaga ega zarrachaning holati musbat energiyaga ega, ammo qarama-qarshi elektr zaryadi bo'lgan zarrachaning holati sifatida talqin etiladi. Mumkin bo'lgan barcha salbiy energiya darajalari to'ldiriladi, ammo kuzatib bo'lmaydi. Energiyaga ega bo'lgan foton elektronni salbiy energiyali holatdan ijobiy energiyaga o'tkazishga qodir (5.1-rasmga qarang) - elektron kuzatiladigan bo'lib qoladi.
Fizikada elementar zarralar atom yadrosi miqyosidagi fizik ob'ektlar deb ataladi, ularni tarkibiy qismlariga ajratib bo'lmaydi. Biroq, bugungi kunga kelib, olimlar hali ham ularning ayrimlarini ajratishga muvaffaq bo'lishdi. Ushbu mayda narsalarning tuzilishi va xususiyatlari elementar zarralar fizikasi tomonidan o'rganiladi.
Barcha moddalarni tashkil etuvchi eng kichik zarralar qadimgi davrlarda ma'lum bo'lgan. Biroq, "atomizm" deb nomlangan asoschilar Qadimgi Yunoniston faylasufi Leykipp va uning taniqli shogirdi Demokrit hisoblanadi. Ikkinchisi "atom" atamasini kiritgan deb taxmin qilinadi. Qadimgi yunoncha "atomos" qadimgi faylasuflarning qarashlarini belgilaydigan "bo'linmaydigan" deb tarjima qilingan.
Keyinchalik ma'lum bo'lishicha, atomni hanuzgacha ikkita fizik ob'ektga - yadro va elektronga bo'lish mumkin. Keyinchalik 1897 yilda ingliz Jozef Tomson katod nurlari bilan tajriba o'tkazib, ularning massasi va zaryadi bir xil bo'lgan bir xil zarrachalar oqimi ekanligini aniqlaganida, keyinchalik bu birinchi elementar zarraga aylandi.
Tomsonning ishi bilan parallel ravishda rentgen nurlanishini o'rganadigan Anri Bekkerel uran bilan tajribalar o'tkazadi va yangi nurlanish turini kashf etadi. 1898 yilda frantsiyalik juft fiziklar Mari va Per Kyuri har xil radioaktiv moddalarni o'rganib, bir xil radioaktiv nurlanishni aniqladilar. Keyinchalik uning alfa (2 ta proton va 2 ta neytron) va beta-zarralardan (elektronlardan) iborat ekanligi aniqlanadi va Bekerel va Kyuri Nobel mukofotiga sazovor bo'lishadi. Mariya Sklodovska-Kyuri uran, radiy va polonyum kabi elementlar bilan tadqiqotlar olib borishda hech qanday xavfsizlik choralarini ko'rmagan, hatto qo'lqop kiymagan. Natijada, 1934 yilda uni leykemiya egallab oldi. Buyuk olimning yutuqlarini yodga olib, bir juft Kuri tomonidan topilgan element poloniyga Maryam vatani Poloniya, Lotin tilidan Polsha nomi berilgan.
Spin nima?

Fizika sohasidagi keyingi yangiliklarga o'tishdan oldin barcha zarrachalarning xususiyatlarini aniqlash kerak. Eng taniqli, massa va elektr zaryadidan tashqari, spinni ham o'z ichiga oladi. Ushbu qiymat boshqacha tarzda "to'g'ri burchakli impuls" deb nomlanadi va umuman olganda subduklear ob'ektning harakati bilan bog'liq emas. Olimlar spinlari 0, ½, 1, 3/2 va 2 bo'lgan zarralarni topishga muvaffaq bo'lishdi, soddalashtirilgan bo'lsa ham, spinni ob'ekt xususiyati sifatida tasavvur qilish uchun quyidagi misolni ko'rib chiqing.
Ob'ektning aylanmasi 1 ga teng bo'lsin. Keyin bunday ob'ekt 360 daraja aylantirilganda asl holatiga qaytadi. Samolyotda bu narsa qalam bo'lishi mumkin, u 360 gradusga burilgandan so'ng asl holatida bo'ladi. Nolinchi spin holatida ob'ektning har qanday aylanishi har doim bir xil bo'ladi, masalan, bitta rangli to'p.
Orqaga qaytish uchun sizga 180 gradusga burilganda ko'rinishini saqlaydigan moslama kerak. Bu bir xil qalam bo'lishi mumkin, faqat ikkala tomonga nosimmetrik tarzda keskinlashtiriladi. Spin 2 uchun 720 daraja aylanish kerak, 3/2 aylanish uchun esa 540 kerak bo'ladi.
Ushbu xususiyat elementar zarralar fizikasi uchun juda muhimdir.
Zarralar va o'zaro ta'sirlarning standart modeli

Atrofdagi dunyoni tashkil etuvchi ta'sirchan mikro ob'ektlar to'plamiga ega bo'lgan olimlar ularni tuzishga qaror qilishdi, shuning uchun taniqli "Standart model" nazariy konstruktsiyasi shakllandi. U uchta o'zaro ta'sirni va 61 ta zarrachani 17 ta asosiy zarbadan foydalanib tasvirlaydi, ularning ba'zilari kashfiyotdan ancha oldin u tomonidan bashorat qilingan.
Uchta o'zaro ta'sir:

• 
  Elektromagnit. Bu elektr zaryadlangan zarralar orasida sodir bo'ladi. Maktabdan ma'lum bo'lgan oddiy holatda qarama-qarshi zaryadlangan narsalar jalb qilinadi va shu nomdagi narsalar repel qilinadi. Bu elektromagnit o'zaro ta'sirning tashuvchisi - foton orqali sodir bo'ladi.
  
• 
  Kuchli, aks holda - yadroviy ta'sir o'tkazish. Nomidan ko'rinib turibdiki, uning harakati atom yadrosi tartibidagi narsalarga ham tegishli bo'lib, u proton, neytron va boshqa zarralarni jalb qilish uchun javobgardir, shuningdek kvarklardan iborat. Kuchli o'zaro ta'sirlar glyon tomonidan amalga oshiriladi.
  
• 
  Zaif. Yadro kattaligidan bir ming kam masofada harakat qiladi. Ushbu o'zaro ta'sirga leptonlar va kvarklar, shuningdek ularning zarrachalari kiradi. Bundan tashqari, zaif shovqin holatida, ular bir-birlariga reenkarnatsiya qilishlari mumkin. Tashuvchilar W +, W− va Z0 bozonlari.
  

Shunday qilib, Standart Model quyidagicha shakllandi. U oltita kvarkni o'z ichiga oladi, ulardan barcha adronlar (kuchli ta'sir o'tkazadigan zarralar) iborat:

• 
  Yuqori (u);
  
• 
  Sehrlangan (c);
  
• 
  Rost (t);
  
• 
  Pastroq (d);
  
• 
  Ajabo (lar);
  
• 
  Ajoyib (b).
  

Ko'rinib turibdiki, fiziklar epitet yozmaydi. Qolgan 6 ta zarralar leptonlardir. Bu kuchli o'zaro ta'sirlarda qatnashmaydigan asosiy spin-zarralar.

• 
  Elektron;
  
• 
  Elektron neytrin;
  
• 
  Muon;
  
• 
  Muonik neytrin;
  
• 
  Tau lepton;
  
• 
  Tau neytrinosi.
  

Va Standart Modelning uchinchi guruhi - bu spin 1 ga teng bo'lgan va o'zaro ta'sir tashuvchisi sifatida ifodalangan o'lchov bosonlari:

• 
  Gluon kuchli;
  
• 
  Foton - elektromagnit;
  
• 
  Z-boson - kuchsiz;
  
• 
  W-boson - zaif.
  

Ular tarkibiga yaqinda kashf etilgan spin 0 zarrachasi ham kiradi, bu oddiy qilib aytganda, boshqa barcha yadro yadrolari inert massa bilan ta'minlanadi.
Natijada, Standart Modelga ko'ra bizning dunyomiz shunday ko'rinishga ega: barcha materiya adronlarni hosil qiluvchi 6 kvark va 6 leptondan iborat; bu zarralarning barchasi uchta o'zaro ta'sirda ishtirok etishi mumkin, ular o'lchash bozonlari orqali olib boriladi.
Standart modelning kamchiliklari
Biroq, Higgs bozoni, Standard Model tomonidan bashorat qilingan so'nggi zarracha kashf qilinishidan oldin ham, olimlar undan chiqib ketishdi. Buning yorqin namunasi deb ataladi. Bugungi kunda boshqalar bilan tenglashib kelayotgan "tortishish kuchi o'zaro ta'siri". Taxminlarga ko'ra, uning tashuvchisi massasi bo'lmagan va fiziklar hali aniqlay olmagan - "graviton" bo'lgan spin 2 bo'lgan zarradir.
Bundan tashqari, Standart Model 61 zarrachani tasvirlaydi va bugungi kunda insoniyat allaqachon 350 dan ortiq zarralarni biladi. Demak, nazariy fiziklarning ishlari hali tugamagan.