Subatom zarracha — zarracha, uning o‘lchami atomnikidan ancha kichik. Subatom zarralar ikki turga bo‘linadi: fundamental zarralar, ya’ni zamonaviy nazariyalarga ko‘ra, boshqa zarralardan tashkil topmagan zarralar; hamda tarkibli zarralar. Zarralar fizikasi va yadro fizikasi bu zarralarni hamda ularning o‘zaro ta’sirini o‘rganadi. Tajribalar yorug‘lik zarrachalar oqimi (ular fotonlar deb ataladi) kabi harakatlanishi bilan birga to‘lqin xususiyatlarini ham namoyon etishini ko‘rsatgach, zarracha haqidagi tasavvurlar tubdan qayta ko‘rib chiqildi. Natijada korpuskulyar-to‘lqin dualizmi tushunchasi paydo bo‘ldi. Unga ko‘ra, kvant miqyosida «zarralar» ham zarracha, ham to‘lqin xususiyatlarini namoyon qiladi. Yana bir tushuncha — noaniqlik prinsipi — ularning ayrim xossalarini, masalan, joylashuvi va impulsini bir vaqtning o‘zida mutlaq aniqlik bilan o‘lchab bo‘lmasligini bildiradi. Keyinchalik to‘lqin-zarracha ikkiyoqlamaligi nafaqat fotonlarga, balki massasi kattaroq zarralarga ham xos ekani aniqlandi.
Zarralarning o‘zaro ta’siri kvant maydon nazariyasi doirasida tegishli kvantlarning hosil bo‘lishi va yo‘qolishi orqali yuz beradigan fundamental o‘zaro ta’sirlar sifatida talqin qilinadi. Bu elementar zarralar fizikasini maydon nazariyasi bilan bog‘laydi.
Tasniflanishi
Tarkibiga ko‘ra
Subatom zarralar «elementar», ya’ni boshqa zarralardan tashkil topmagan bo‘lishi yoki «tarkibli», ya’ni o‘zaro bog‘langan bir nechta elementar zarradan iborat bo‘lishi mumkin.
Elementar zarralar Standart model doirasida quyidagilardan iborat:
- olti «turdagi» kvark: yuqori, quyi, g‘alati, jozibali, go‘zal va haqiqiy;
- olti turdagi leptonlar: elektron, elektron neytrinosi, myuon, myuon neytrinosi, tau-lepton, tau-neytrino;
- o‘n ikkita kalibrlovchi bozon (o‘zaro ta’sir tashuvchilari): foton — elektromagnit ta’sir tashuvchisi, uchta W va Z bozoni — kuchsiz o‘zaro ta’sir tashuvchilari va sakkizta glyuon — kuchli o‘zaro ta’sir tashuvchilari;
- Xiggs bozoni.
Ularning barchasi tajribalar orqali aniqlangan. Eng so‘ng topilganlari — haqiqiy kvark (1995), tau-neytrino (2000) va Xiggs bozoni (2012).
Standart modelning turli kengaytirilgan nazariyalari elementar zarra — graviton hamda ko‘plab boshqa elementar zarralar mavjudligini bashorat qiladi, ammo 2019-yil holatiga ko‘ra ular hali aniqlanmagan edi.
Adronlar
Deyarli barcha tarkibli zarralar glyuonlar orqali bog‘langan bir nechta kvark (antikvark)dan tashkil topadi (bundan pozitroniy va myuoniy kabi ayrim istisnolar mustasno). Kam sonli (≤ 5) [anti]kvarklardan tashkil topgan zarralar adronlar deb ataladi. rang konfaynmenti tufayli kvarklar yakka holda uchramaydi, ular doimo bir nechta kvarkdan iborat adronlar tarkibida bo‘ladi. Adronlar kvarklar (shu jumladan antikvarklar) soniga ko‘ra barionlar — toq sondagi (deyarli har doim 3 ta) kvarkdan iborat zarralar; ulardan eng mashhurlari proton va neytron; shuningdek, mezonlar — juft sondagi (deyarli har doim 2 ta, ya’ni bitta kvark va bitta antikvarkdan) tashkil topgan zarralarga bo‘linadi. Mezonlarning eng mashhur vakillari pi-mezonlar va K-mezonlar.
Proton va neytrondan tashqari barcha adronlar beqaror bo‘lib, mikrosoniya yoki undan ham qisqa vaqt ichida boshqa zarralarga parchalanadi. Proton ikkita yuqori kvark va bitta quyi kvarkdan, neytron esa ikkita quyi va bitta yuqori kvarkdan tashkil topgan. Ular odatda birikib, atom yadrosini hosil qiladi. Masalan, geliy-4 yadrosi ikki proton va ikki neytrondan iborat. Aksariyat adronlar yadroga o‘xshash birikmalar hosil qilish uchun yetarlicha uzoq yashamaydi; bunday birikmalarni hosil qila oladiganlari (proton va neytrondan tashqari) giperyadrolarni hosil qiladi.
Statistik xossalariga ko‘ra
Kvant mexanikasi qonunlariga bo‘ysunadigan uch o‘lchamli fazodagi har qanday subatom zarracha bozon (butun sonli spinga ega) yoki fermion (toq yarim butun sonli spinga ega) bo‘lishi mumkin.
Standart modeldagi barcha elementar fermionlarning spini 1/2 ga teng. Ular rang zaryadiga ega bo‘lgani uchun kuchli o‘zaro ta’sirda qatnashadigan kvarklar va rang zaryadiga ega bo‘lmagan leptonlarga bo‘linadi. Elementar bozonlar qatoriga spini 1 ga teng kalibrlovchi bozonlar (foton, W va Z bozonlari, glyuonlar) kiradi. Xiggs bozoni esa spini nolga teng yagona elementar zarradir.
Faraziy graviton nazariy jihatdan 2 spinga ega bo‘lishi kerak, biroq Standart modelga kirmaydi. Supersimmetriya kabi ayrim kengaytmalar 3/2 spinli qo‘shimcha elementar zarralar mavjudligini bashorat qiladi, ammo 2019-yil holatiga ko‘ra ular aniqlanmagan edi.
Tarkibli zarralarning spin qonuniyatlariga ko‘ra, barionlar (3 ta kvark) 1/2 yoki 3/2 spinga ega, shu sababli fermionlardir; mezonlar (2 ta kvark) esa 0 yoki 1 butun sonli spinga ega bo‘lib, bozonlarga kiradi.
Massasiga ko‘ra
Maxsus nisbiylik nazariyasida tinch holatdagi zarra energiyasi uning massasi bilan yorug‘lik tezligi kvadratining ko‘paytmasiga teng: E = mc². Demak, massani energiya orqali, energiyani esa massa orqali ifodalash mumkin. Agar zarraning tinch holatda bo‘ladigan sanoq sistemasi mavjud bo‘lsa, uning tinchlik massasi musbat bo‘ladi va bunday zarra massali deb ataladi.
Barcha tarkibli zarralar massaga ega. Barionlar (nomi «og‘ir» degan ma’noni bildiradi) mezonlardan (nomi «oraliq» degan ma’noni bildiradi), mezonlar esa leptonlardan (nomi «yengil» degan ma’noni bildiradi) og‘irroq. Biroq eng og‘ir lepton (tau-zarra) eng yengil ikkita barion turi (nuklonlar)dan ham og‘irroq. Shuningdek, elektr zaryadga ega har qanday zarra massali ekani ham ayon.
1950-yillarda dastlab barion, mezon va lepton atamalari ularning massalariga qarab qo‘llangan. Biroq 1970-yillarda kvark modeli qabul qilingach, barionlar — uchta kvarkdan, mezonlar — bitta kvark va bitta antikvarkdan tashkil topgan tarkibli zarralar ekani, leptonlar esa elementar bo‘lib, rang zaryadiga ega bo‘lmagan elementar fermionlar sifatida ta’riflanishi aniqlandi.
Barcha massasiz zarralar (invariant massasi nolga teng zarralar) elementar hisoblanadi. Foton va glyuon shular jumlasiga kiradi, biroq glyuonni yakka holda ajratib bo‘lmaydi.
Parchalanishiga ko‘ra
Subatom zarralarning aksariyati barqaror emas. Barcha mezonlar hamda protondan tashqari barcha barionlar kuchli yoki kuchsiz o‘zaro ta’sir natijasida parchalanadi. Protonning parchalanishi hozirgacha kuzatilmagan, biroq uning haqiqatan ham barqaror ekani noma’lum. Zaryadlangan myuon va tau-leptonlar kuchsiz o‘zaro ta’sir tufayli parchalanadi; ularning antizarralari uchun ham shunday. Neytrinolar (va antineytrinolar) parchalanmaydi, ammo neytrino ossillyatsiyalari hodisasi hatto vakuumda ham yuz berishi mumkin, deb hisoblanadi. Elektron va uning antizarrasi pozitron nazariy jihatdan zaryadning saqlanishi tufayli barqarordir. Biroq elektr zaryadining miqdori ≤e bo‘lgan yengilroq zarra mavjud bo‘lsa, bu holat o‘zgarishi mumkin (bunday ehtimol juda past).
Rang zaryadiga ega bo‘lmagan (shu sababli yakka holda ajratib olinadigan) subatom zarralardan faqat foton, elektron, neytrino, ayrim atom yadrolari (jumladan, proton) hamda ularning antizarralari o‘z holatini cheksiz uzoq vaqt saqlab qolishi mumkin.
Boshqa xossalari
Kuzatiladigan barcha subatom zarralarning elektr zaryadi butun sonli ko‘paytma sifatida elementar zaryad orqali ifodalanadi. Kvarklar Standart modelga ko‘ra, «kasrli» elektr zaryadga ega: ularning zaryadi 1⁄3 e ga karrali bo‘ladi. Ammo kvarklar (va kasrli elektr zaryadli boshqa kombinatsiyalar) konfaynment tufayli yakka holda ajratib olinmaydi. Barionlar, mezonlar va ularning antizarralarida tarkibiy kvarklar zaryadlarining yig‘indisi e ning butun karrasiga teng.
Xususan, Albert Eynshteyn, Satyendra Nat Boze, Lui de Broyl va boshqa ko‘plab olimlarning ishlari tufayli zamonaviy ilmiy nazariyada barcha zarralar to‘lqin xususiyatiga ham ega deb qaraladi. Bu xususiyat faqat elementar zarralarda emas, balki atomlar va hatto molekulalar kabi tarkibli zarralarda ham tajribalar orqali tasdiqlangan. Aslida, norelyativistik kvant mexanikasining an’anaviy ifodalariga ko‘ra, to‘lqin-zarracha ikkiyoqlamaligi barcha jismlarga, hatto makroskopik obyektlarga ham tegishli. Biroq makroskopik jismlarning to‘lqin uzunligi juda kichik bo‘lgani uchun ularning to‘lqin xossalarini aniqlab bo‘lmaydi.
Zarralar o‘rtasidagi o‘zaro ta’sirlar ko‘p asrlar davomida batafsil o‘rganilgan. Ularning to‘qnashuvi va o‘zaro ta’sirini bir necha sodda qonun boshqaradi. Shulardan eng asosiylari energiyaning saqlanishi va impulsning saqlanishi qonunlaridir. Bu qonunlar yulduzlardan tortib kvarklargacha bo‘lgan miqyoslarda zarralar o‘zaro ta’sirini hisoblash imkonini beradi.
