Elementar zarracha nima

Elementar zarracha — yadrodan ham kichik miqyosdagi, hozirgi vaqtda amalda tarkibiy qismlarga ajratib bo‘lmaydigan mikroobyektlarni ifodalovchi umumiy atama.

Shuni yodda tutish kerakki, ayrim elementar zarrachalar (elektron, neytrino, kvarklar va h. k.) hozircha ichki tuzilishga ega emas deb hisoblanadi va birlamchi fundamental zarrachalar sifatida qaraladi. Boshqa elementar zarrachalar (masalan, tarkibli zarrachalar, shu jumladan, atom yadrosining tarkibiy qismlari — protonlar va neytronlar) murakkab ichki tuzilishga ega. Shunga qaramay, hozirgi tasavvurlarga ko‘ra, ularni tarkibiy qismlarga ajratib bo‘lmaydi. Bunga konfaynment hodisasi sabab bo‘ladi.

Hozirgacha antizarrachalar bilan birga 350 dan ortiq elementar zarracha kashf etilgan. Ulardan foton, elektron va myuon neytrinolari, elektron, proton hamda ularning antizarrachalari barqarordir. Qolgan elementar zarrachalar eksponensial qonun bo‘yicha o‘z-o‘zidan parchalanadi; ularning vaqt doimiysi taxminan 880 sekunddan (erkin neytron uchun) bir sekundning 10⁻²⁴ dan 10⁻²² s gacha bo‘lgan juda kichik ulushigacha (rezonanslar uchun).

Elementar zarrachalarning tuzilishi va xatti-harakatini elementar zarrachalar fizikasi o‘rganadi.

Barcha elementar zarrachalar quyidagi ikki prinsipga amal qiladi: ayniylik prinsipi (Koinotdagi bir turga mansub barcha elementar zarrachalar barcha xususiyatlari jihatidan mutlaqo bir xil) va korpuskulyar-to‘lqin dualizmi prinsipi (har bir elementar zarrachaga de Broyl to‘lqini mos keladi).

Barcha elementar zarrachalar bir-biriga aylanish xususiyatiga ega. Bu ularning kuchli, elektromagnit, kuchsiz va gravitatsion o‘zaro ta’sirlari natijasidir. Zarrachalar o‘zaro ta’sirlashganda, ular va ularning majmualari boshqa zarrachalar hamda majmualarga aylanishi mumkin, agar bunday o‘zgarishlar energiyaning saqlanish qonunlari, impuls, impuls momenti, elektr zaryadi, barion zaryadi va boshqa kattaliklarning saqlanish qonunlari bilan taqiqlanmagan bo‘lsa.

Elementar zarrachalarning asosiy xususiyatlari: yashash vaqti, massa, spin, elektr zaryadi, magnit momenti, barion zaryadi, lepton zaryadi, g‘alatilik (strangeness), maftunkorlik (charm), go‘zallik (bottomness), haqiqiylik (topness), izotopik spin, juftlik, zaryad juftligi, G-juftlik, CP-juftlik, T-juftlik, R-juftlik, P-juftlik.

Tasniflanishi

Yashash vaqtiga ko‘ra

Barcha elementar zarrachalar ikki turga bo‘linadi:

Barqaror elementar zarrachalar — erkin holatda yashash vaqti cheksiz deb qaraladigan zarrachalar (proton, elektron, neytrino, foton, graviton va ularning antizarrachalari).
Beqaror elementar zarrachalar — erkin holatda ma’lum vaqt ichida boshqa zarrachalarga parchalanadigan zarrachalar (qolgan barcha zarrachalar).

Massasiga ko‘ra

Barcha elementar zarrachalar ikki turga bo‘linadi:

Massasiz zarrachalar — massasi nolga teng zarrachalar (foton, glyuon).
Massasi noldan farqli zarrachalar (qolgan barcha zarrachalar).

Zarrachalarning spin qiymatiga ko‘ra

Barcha elementar zarrachalar ikki turga bo‘linadi:

bozonlar — spini butun son bo‘lgan zarrachalar (masalan, foton, glyuon, mezonlar, Xiggs bozoni);
fermionlar — spini yarim butun son bo‘lgan zarrachalar (masalan, elektron, proton, neytron, neytrino).

O‘zaro ta’sir turlariga ko‘ra

Elementar zarrachalar quyidagi guruhlarga bo‘linadi:

Tarkibli zarrachalar

Adronlar — barcha turdagi fundamental o‘zaro ta’sirlarda qatnashadigan zarrachalar. Ular kvarklardan tashkil topadi va o‘z navbatida quyidagilarga bo‘linadi:
- mezonlar — butun qiymatli spinga ega adronlar, ya’ni bozonlar;
- barionlar — yarim butun spinli adronlar, ya’ni fermionlar. Jumladan, ularga atom yadrosini tashkil qiluvchi zarrachalar, — proton va neytron kiradi.

Fundamental (ichki tuzilishsiz) zarrachalar

Leptonlar — taxminan 10⁻¹⁸ m miqyosigacha nuqtasimon (ya’ni tarkibiy qismlarga ega bo‘lmagan) zarracha sifatida namoyon bo‘ladigan fermionlar. Ular kuchli o‘zaro ta’sirda qatnashmaydi. Elektromagnit o‘zaro ta’sirda qatnashishi tajribada faqat zaryadlangan leptonlar (elektronlar, myuonlar, tau-leptonlar) uchun kuzatilgan, neytrinolar uchun esa kuzatilmagan. Leptonlarning 6 turi ma’lum.
Kvarklar — adronlar tarkibiga kiruvchi, kasr qiymatli elektr zaryadiga ega zarrachalar. Erkin holatda kuzatilmagan (bunday kuzatuvlar yo‘qligini tushuntirish uchun konfaynment mexanizmi taklif qilingan). Ular ham leptonlar singari 6 turga bo‘linadi va ichki tuzilishsiz deb hisoblanadi, ammo leptonlardan farqli ravishda kuchli o‘zaro ta’sirda qatnashadi.
Kalibrovka bozonlari (gauge bosons) — almashinuvi orqali o‘zaro ta’sirlar amalga oshadigan zarrachalar:
- foton — elektromagnit o‘zaro ta’sirni tashuvchi zarracha;
- sakkizta glyuon — kuchli o‘zaro ta’sirni tashuvchi zarrachalar;
- uchta oraliq vektor bozoni W⁺, W⁻ va Z⁰, ular kuchsiz o‘zaro ta’sirni tashiydi;
- graviton — mavjudligi faraz qilinadigan va gravitatsion o‘zaro ta’sirni tashuvchi zarracha. Gravitatsion o‘zaro ta’sir nihoyatda kuchsiz bo‘lgani sababli gravitonlarning mavjudligi tajribada hali isbotlanmagan, biroq ularning mavjudligi ehtimoli yuqori deb hisoblanadi. Shunga qaramay, graviton elementar zarrachalarning Standart modeliga kirmaydi.

Adronlar va leptonlar moddani tashkil etadi. Kalibrovka bozonlari esa turli o‘zaro ta’sirlarning kvantlaridir.

Bundan tashqari, Standart modelda albatta Xiggs bozoni ham mavjud bo‘lishi kerak. Uning mavjudligi 1964-yilda bashorat qilingan va 2012-yilda Katta adron kollayderida kashf etilgan.

Elementar zarrachalarning o‘lchamlari

Elementar zarrachalar juda xilma-xil bo‘lsa-da, ularning o‘lchamlari ikki guruhga ajraladi. Adronlarning (barionlar hamda mezonlarning) o‘lchamlari taxminan 10⁻¹⁵ m bo‘lib, bu ularning tarkibidagi kvarklar orasidagi o‘rtacha masofaga yaqin. Fundamental, ichki tuzilishsiz zarrachalar — kalibrovka bozonlari, kvarklar va leptonlar — o‘lchamlari tajriba xatoligi chegarasida nuqtasimonlikka mos keladi (diametrning yuqori chegarasi taxminan 10⁻¹⁸ m) (izohga qarang). Agar keyingi tajribalarda ham bu zarrachalarning aniq o‘lchamlari aniqlanmasa, bu kalibrovka bozonlari, kvarklar va leptonlarning o‘lchamlari fundamental uzunlikka yaqin ekanidan dalolat berishi mumkin (bu uzunlik katta ehtimol bilan Plank uzunligi, ya’ni 1,6·10⁻³⁵ m ga teng bo‘lishi mumkin).

Biroq elementar zarrachaning o‘lchami juda murakkab tushuncha ekanini ta’kidlash kerak: u har doim ham klassik tasavvurlarga mos kelavermaydi. Birinchidan, noaniqlik prinsipi fizik zarrachaning fazodagi o‘rnini mutlaqo aniq belgilashga imkon bermaydi. To‘lqin paketi — zarracha holatining superpozitsiyasi bo‘lib, u aniq lokalizatsiyalangan kvant holatlaridan tashkil topadi va har doim chekli o‘lcham hamda muayyan fazoviy tuzilishga ega. To‘lqin paketining o‘lchamlari hatto makroskopik darajada katta bo‘lishi mumkin. Masalan, elektron ikki tirqishdagi interferensiya tajribasida makroskopik masofada joylashgan interferometrning ikkala tirqishini ham «sezadi». Ikkinchidan, fizik zarracha o‘z atrofidagi vakuumning tuzilishini o‘zgartirib, qisqa muddat mavjud bo‘ladigan virtual zarrachalar — fermion–antifermion juftlari (qarang: Vakuum qutblanishi) va o‘zaro ta’sir tashuvchi bozonlardan iborat «qobiq» hosil qiladi. Bu sohaning fazoviy o‘lchamlari zarrachaning kalibrovka zaryadlariga hamda oraliq bozonlarning massalariga bog‘liq (massali virtual bozonlar qobig‘ining radiusi taxminan ularning Kompton to‘lqin uzunligiga yaqin bo‘ladi va bu uzunlik bozon massasiga teskari proporsional). Masalan, neytrino nuqtayi nazaridan elektronning radiusi (ular orasida faqat kuchsiz o‘zaro ta’sir bo‘lishi mumkin) taxminan W-bozonlarning Kompton to‘lqin uzunligiga teng, ~3×10⁻¹⁸ m. Adronning kuchli o‘zaro ta’sir sohasi o‘lchamlari esa eng yengil adron bo‘lgan pi-mezonning Kompton to‘lqin uzunligi (~10⁻¹⁵ m) bilan belgilanadi; bu yerda pi-mezon o‘zaro ta’sirni tashuvchi vazifasini bajaradi.

Tarixi

Dastlab «elementar zarracha» atamasi mutlaqo sodda, ya’ni materiyaning dastlabki «g‘ishtchasi»ni anglatgan. Biroq 1950–1960-yillarda o‘xshash xususiyatlarga ega yuzlab adronlar kashf etilgach, hech bo‘lmaganda adronlarning ichki erkinlik darajalari borligi, ya’ni ular qat’iy ma’noda elementar emasligi ayon bo‘ldi. Keyinchalik adronlarning kvarklardan tashkil topishi aniqlanib, bu taxmin tasdiqlandi.

Shunday qilib, fiziklar moddaning tuzilishini yanada chuqurroq o‘rgandilar: hozirda moddaning eng elementar, nuqtasimon tarkibiy qismlari leptonlar va kvarklar deb hisoblanadi. Ular (kalibrovka bozonlari bilan birga) «fundamental zarrachalar» deb ataladi.

Taxminan 1980-yillarning o‘rtalaridan faol ishlab chiqilayotgan torlar nazariyasida elementar zarrachalar va ularning o‘zaro ta’sirlari nihoyatda kichik «torlar» tebranishlarining turli shakllari natijasi deb faraz qilinadi.

Standart model

Elementar zarrachalarning Standart modeli 12 xil fermion turini (flavor), ularga mos antizarrachalarni, shuningdek, zarrachalar orasidagi o‘zaro ta’sirlarni tashuvchi kalibrovka bozonlarini (foton, glyuonlar, W va Z bozonlar) hamda 2012-yilda kashf etilgan Xiggs bozonini o‘z ichiga oladi. Xiggs bozoni zarrachalarning inert massaga ega bo‘lishi bilan bog‘liq. Biroq Standart model ko‘proq vaqtinchalik nazariya deb qaraladi, chinakam fundamental nazariya emas. Chunki unda gravitatsiya hisobga olinmagan va zarrachalar massasi va boshqalar kabi qiymatlari nazariyaning o‘zidan bevosita kelib chiqmaydigan o‘nlab erkin parametrlar mavjud. Standart model tavsiflamaydigan elementar zarrachalar ham bo‘lishi mumkin. Masalan, graviton (gravitatsion kuchlarni tashishi taxmin qilinadigan zarracha) yoki oddiy zarrachalarning supersimmetrik sheriklari ham shular jumlasidandir. Jami model 61 ta zarrachani tavsiflaydi.

Fermionlar

Fermionlarning 12 xil turi 3 ta oilaga (avlodga) bo‘linadi, har birida 4 tadan zarracha mavjud. Ulardan oltitasi — kvarklar. Qolgan oltitasi — leptonlar bo‘lib, ulardan uchtasi neytrino, qolgan uchtasi esa birlik manfiy zaryadga ega: elektron, myuon va tau-lepton.

**Zarrachalar avlodlari**
Birinchi avlod	Ikkinchi avlod	Uchinchi avlod
Elektron: e⁻	Myuon: μ⁻	Tau-lepton: τ⁻
Elektron neytrinosi: ν_e	Myuon neytrinosi: ν_μ	Tau-neytrino: $\nu _{\tau }$
u-kvark («yuqori»): u	c-kvark («maftunkor»): c	t-kvark («haqiqiy»): t
d-kvark («quyi»): d	s-kvark («g‘alati»): s	b-kvark («go‘zal»): b

Antizarrachalar

Yuqorida ko‘rsatilgan fermionlarga mos keluvchi 12 ta fermion antizarrachasi ham mavjud.

**Antizarrachalar**
Birinchi avlod	Ikkinchi avlod	Uchinchi avlod
pozitron: e⁺	Musbat myuon: μ⁺	Musbat tau-lepton: τ⁺
Elektron antineytrinosi: ${\bar {\nu }}_{e}$	Myuon antineytrinosi: ${\bar {\nu }}_{\mu }$	Tau-antineytrino: ${\bar {\nu }}_{\tau }$
u-antikvark: ${\bar {u}}$	c-antikvark: ${\bar {c}}$	t-antikvark: ${\bar {t}}$
d-antikvark: ${\bar {d}}$	s-antikvark: ${\bar {s}}$	b-antikvark: ${\bar {b}}$

Kvarklar

Kvarklar va antikvarklar hech qachon erkin holatda kuzatilmagan. Bu konfaynment hodisasi bilan izohlanadi. Leptonlar va kvarklar orasidagi, elektromagnit o‘zaro ta’sirda namoyon bo‘ladigan simmetriyaga asoslanib, bu zarrachalar yanada fundamental zarrachalar — preonlardan tashkil topishi mumkinligi haqida farazlar ilgari surilmoqda.

Noma’lum zarrachalar

Ko‘pchilik fiziklarning fikricha, hozircha noma’lum zarracha turlari mavjud bo‘lib, ular qorong‘i materiyani tashkil qiladi

Adabiyotlar

Lourens Krauss. Nega biz mavjudmiz? Hozirgacha hikoya qilingan eng buyuk voqea = Krauss. The Greatest Story Ever Told - So Far: Why Are We Here?. — M.: Alpina Non-fikshn, 2018. — 420 bet — ISBN 978-5-91671-948-2.
Bosh muharrir A. M. Proxorov. Fizika ensiklopediyasi. — M.: Sovet ensiklopediyasi.

Havolalar

Yadro va zarrachalar fizikasidagi kashfiyotlar xronikasi, uni fizika fakulteti (M. V. Lomonosov nomidagi Moskva davlat universiteti) xodimlari tayyorlagan
Elementar zarrachalar fizikasi — Scientific.ru
Elementar zarrachalarning to‘liq jadvali, Particle Data Group tomonidan tayyorlangan (inglizcha)
Elementar zarrachalar fizikasi — dunyoda, Yadro fizikasi institutida va elementar zarrachalar fizikasi kafedrasida
Nomlar: elementar zarrachalar she’riyati (inglizcha)