O‘zbekiston respublikasi oliy va o‘rta maxsus ta'lim vazirligi ajiniyoz nomidagi nukus davlat pedagogika instituti fizika-matematika fakulteti fizika o‘qitish metodikasi kafedrasi

II. BOB. ELEMENTAR ZARRALAR KLASSIFIKATSIYASI
2.1.ELEMENTAR ZARRALAR TAVSIFI
Elementar zarralar asosan 3 sinfga boʻlinadi. Birinchi sinfga faqat bitta zarra — foton (yorugʻlik kvanti) kiradi. Ikkinchi sinfni leptonlar tashkil etadi. Leptonlarga oltita zarra: elektron, elektron neytrinosi, myuon, myuon neytrinosi, τ- lepton va τ- neytrinosi kiradi. Uchinchi sinf - adronlar (grekcha - yirik) deb ataluvchi zarralardan tashkil topgan. Adronlarga mezonlar va barionlar guruhidagi zarralar kiradi. Ulardan tashqari bir necha yuz rezonanslar deb ataluvchi zarralar ham kiradi. Zarralarning ushbu klasslari ularning oʻzaro taʼsirini xarakterlaydi. Masalan, foton faqat elektromagnit oʻzaro taʼsirdagina boʻladi. Leptonlar kuchsiz va gravitatsion oʻzaro taʼsirda, adronlar esa gravitatsion, kuchsiz, elektromagnit va kuchli (yadroviy) oʻzaro taʼsirlarda boʻla oladi. Har bir elementar zarra oʻzining tinchlikdagi massasiga ega. Bu ularning asosiy xarakteristikasi. Buni bilgan holda biz elementar zarralarni massasiga qarab klasslarga ajratishimiz mumkin. Elementar zarralarning tinchliqdagi massasi, odatda elektron va proton massasi birliklarida yoki energiya birliklarida (masalan, elektron - voltlarda, qisqacha eV da) oʻlchanadi. 2- jadvalda elementar zarralar klassi keltirilgan. Har bir zarrani kvant sonlari deb ataluvchi fizik belgilar toʻplami xarakterlaydi. Quyida elementar zarralarni klasslarga ajratishda asosiy xarakteristika hisoblangan har bir kvant soni va ularning fizik maʼnosi ustida alohida toʻxtalib oʻtamiz. Shunday xarakteristikalardan biri Q elektr zaryadidir. U elektron zaryadi birligida oʻlchanadi. Zarralarning elektr zaryadi butun son boʻlib, 0 ga yoki ±1 ga teng. Rezonanslar deb ataluvchi zarralar guruhida ±2 zaryadli zarralar ham maʼlum fundamental fermionlar deb ataluvchi kvarklar + 2e/3 yoki -1e/2 ga teng kasr qiymatli zaryadga ega. Elementar zarralar ishtiroki bilan boʻladigan jarayonlarda energiyaning saqlanish qonuni kabi zaryadning saqlanish ham mavjud. Zaryadning saqlanishi baʼzi zarralarning barqarorligini taʼminlaydi. Elementar zarralarni xarakterlaydigan yana bir fizik belgi zarralarning B barion zaryadidir. Proton va undan ogʻir hamma zarralar barionlar deb ataladi va ularning har biri ±1 barion zaryadiga ega. Antibarionlar esa - 1 barion zaryadiga ega boʻladi. Har qanday barion proton va boshqa zarralarga parchalanadi. Proton barcha reaksiyalarda barionning asosiy “og‘irlik” xususiyatini oʻzida saqlashi bilan ajralib turadi. Shunga koʻra barion zaryadining saqlanish qonuni katta aniqlikda bajariladi. Eng yengil zarralar lepton zaryadi (L_e) ga ega. Elektron (e^-) va elektron neytrinosi ( v_e) +1 lepton zaryadiga ega, pozitron (e⁺) va elektron antineytrinosi ( v_e ) esa -1 lepton zaryadiga ega ( L_e). Boshqa hamma zarralar uchun (L_e )= 0; myuon ( μ^-) va myuon neytrinosi uchun ( v_μ) myuon lepton zaryadi L_μ = +1, musbat μ₊ myuon va myuon antineytrinosi uchun L_μ= -1; boshqa hamma zarralarning myuon lepton zaryadi 0 ga teng: L_μ= 0.
Elementar zarralar orasida shundaylari borki, ular (K-mezonlar va giperonlar) boshqa zarralarda uchramaydigan gʻalatilik (ajiblik) xossasiga egadirlar. Gʻalatilikni S-kvant belgisi orqali aniqlanadi. Bu gʻalati zarralar uchun S “nol”ga teng emas boʻlib, S= ±1, ±2, ±3 qiymatlarni qabul qiladilar. Gʻalatiligi S= 0 boʻlgan zarralar odatdagi hisoblanadilar, ular gʻalatilik xossasiga ega emaslar. Gell-Mann va Nishidjimalar gʻalatilikni zaryad multipletini hosil qiluvchi zarralarning oʻrtacha elektr zaryadi hamda barion zaryadi B bilan quyidagicha bogʻlanganlar: S= 2 - B
Koʻpchilik multipletlar uchun oʻrtacha zaryad < Q> yarim butun boʻladi. Kasr sonlar bilan ish koʻrmaslik uchun yangi giperzaryad — Y kvant soni kiritilgan boʻlib, u Y = 2 ga tengdir. U vaqtda bu uchala (S, Y, B) kvant belgilari oʻzaro quyidagicha bogʻlanishda boʻladilar: Y = B +S.
Bu belgilar orasida eng qulayi Y — giperzaryad. Shuning uchun, odatda S ni oʻrniga Y dan foydalanadilar. Quyida bir qancha elementar zarralarning asosiy xossalari bilan tanishib chiqaylik.
FOTONLAR.Foton tinchlikdagi massasi nolga teng bo‘lgan zarradir. Uni leptonlar oilasiga kiritish ham mumkin biroq foton boshqa elementar zarralardan alohida ko‘riladi. Fotonning tinchlikdagi massasi qatiyan nolga teng bo‘lgani sababli zarraning energiyasi va impulisisi p ni bog‘lovchi formula: E = pc = mc ² bu formulada: E- foton energiyasi, p- foton impulsi, m- foton massasi, c=3 • 10 ⁸ m/s- yorug‘lik tezligi. Fotonning impulsi quyidagiga teng bo‘ladi: p =mc. Yuqoridagi formula Fotonning korpuskulyarlik xususiyatidan topilgan. Foton dualistik (ikki yoqlama) xarakterga ega bo‘lib, uning energiyasi va impulsini to‘lqin xususiyatidan ham topish mumkin: E = vh formulada h=6,62 • 10 ^-34 J • s- Plank doimiysi; v- fotonga bog‘liq bo‘lgan elektromagnit to‘lqin chastotasi. Foton elektromagnit maydon kvanti bo‘lib, odatda Ɣ bilan belgilanadi. Foton Boze-Eynshteyn statistikasiga bo‘ysunadi. Demak, u bozon ekan. Hamma bozonlarning spini yo nolga, yoki butun songa teng bo‘ladi. Fotonning spini 1 ga teng. Fotonning o‘zi elektr jihatdan neytral bo‘lsa ham, u zaryadlar orasidagi o‘zaro ta'sir kuchini “tashish” vazifasini bajaradi. Foton statik elektr maydon uchun virtual (mavjud bo‘lishi mumkin) zarra bo‘lib, nurlanish maydoni uchun esa real zarra bo‘lib hisoblanadi. Foton barqaror zarra bo‘lib, boshqa zarralarga spontan ravishda parchalanmaydi. Fotonning yashash vaqti cheksiz, boshqa zarra yoki zarralar bilan o‘zaro ta'sirda bo‘lganda yo‘qolib ketadi. Foton “ma'lumot berish” vazifasini o‘taydi. Bizni o‘rab turgan tabiat haqidagi axborotlarning eng ko‘p qismi foton orqali beriladi. Masalan, atom va molekula energetik holatlari haqidagi ma'lumotni ular yutayotgan yoki sochayotgan nurning rangiga qarab bilish mumkin. Atom yadrolarining spini haqidagi ma'lumotni shu yadrolarning tashqi elektromagnit maydon bilan o‘zaro ta'siridan, uyg‘ongan energetik sathlari haqidagi ma'lumotni esa chiqarayotgan Ɣ-nurlanishdan bilamiz. Quyosh sistemasidagi sayyoralar, yulduzlar, galaktikalar haqidagi barcha astronomik axborotlarni nurlanish detektori orqali radio- va optik- diapazonlarda bilamiz. Erkin fotonlar koinotda eng ko‘p tarqalgan zarralar. Ular boshqa zarralar bilan elektromagnit va gravitatsion o‘zaro ta'sirlarda bo‘ladi.
Leptonlar. Fermionlarning eng yengili- leptonlardir. Leptonlar Fermi-Dirak statistikasiga bo‘ysunadi. Leptonlar oilasiga 6 ta zarra va ularning 6 ta antizarrasi kiradi. Bu zarralar elektron, myuon μ, τ- mezon va uchta neytrino:v _e , v_τ, v _μ
Neytrino. Neytrino leptonlar orasida eng yengil hisoblanadi. Huddi fotonga o‘xshash, neytrinoning ham tinchlikdagi massasi nolga teng. Shuning uchun ham yuqorida keltirilgan formulalar neytrino uchun ham o‘rinlidir. Ikki xil neytrino mavjud: elektronli neytrino va myuonli neytrino. Bu ikkala neytrinoning o‘ziga mos antizarrasi mavjud. Ularning spini 1/2 ga teng bo‘lib, elektr zaryadi yo‘qdir. Elektronning elementar zarralar bilan bo‘ladigan o‘zaro ta'siri elektronli, myuonning elementar zarralar bilan bo‘ladigan o‘zaro ta'siri jarayonida esa myuonli neytrino hosil bo‘ladi va shu bilan ular bir-biridan farq qiladi. Bunda gap faqat kuchsiz o‘zaro ta'sir jarayonlari haqida yuritiladi. Biror-bir kuchsiz o‘zaro ta’sir jarayonlarda elektron ishtirok etayotgan bo‘lsa, albatta, unda elektronli neytrino ham ishtirok etadi. Elektron va elektronli neytrino ishtirok etayotgan kuchsiz jarayonlarga β aylanish reaksiyasi misol bo‘ladi:
n → p⁺ + e ^- + v _e. (1)
p → n + e ⁺+ v _e
va ularga teskari bo‘lgan reaksiyalar:
v _e + p⁺ → n + e ^+. (2)
v _e + n → p + e ^–
bu reaksiyalarda: n- neytron; p- proton; e-elektron; e⁺ - pozitron; v_e- elektronli neytrino va uning antizarrasi. Xuddi shunday jarayonlarni pionlar yemirilishida qatnashgan myuon va myuonli neytrino uchun ham yozish mumkin,
π ^- → μ ^- + v _μ. (3)
π ⁺ → μ ⁺ + v _μ
Shuningdek, musbat myuonlarni hosil qilish reaksiyasi:
v _μ + p⁺ → n + μ ⁺ (4)
Bu yerda: π ^- - manfiy pion; π ⁺ - musbat pion; μ ^- - manfiy myuon; μ ⁺ - musbat myuon; v _μ - myuonli neytrino
Endi yuqorida keltirilgan reaksiyalarga diqqat bilan e’tibor beramiz. Reaksiyaning bitta tomonida (masalan, (1) reaksiyaning o‘ng tomonida) elektron bilan bir vaqtning o‘zida antineytrino ishtirok etadi. Agar elektron va neytrino reaksiyaning turli qismlarida bo‘lsa, u holda elektron bilan birga endi antineytrino emas, balki neytrino hosil bo‘ladi ((2) reaksiyalarda). Myuon va myuonli neytrino ham (3) va (4) reaksiyalarda o‘zlarini xuddi yuqorida aytgandek tutadi. Bunga sabab zarralarning saqlanish qonunidadir. Biz ko‘rayotgan holda zarralarning lepton soni saqlanadi. Agar har bir lepton zarralarning lepton soni 1 va ularning antizarralari uchun lepton soni -1 ga teng deb qaralsa, u holda ixtiyoriy kuchsiz o‘zaro ta'sir reaksiyalarining boshida va oxirida leptonlarning algebraik soni bir xil bo‘ladi. Neytrino boshqa zarralar bilan kuchsiz o‘zaro ta'sirda bo‘ladi. Neytrino qatnashgan barcha jarayonlar uchun efektiv kesim juda kichik bo‘ladi, shunga ko‘ra neytrinoning har qanday jismdagi erkin yugurish yo‘li juda katta bo‘ladi. Neytrino barcha sharoitlarda to‘liq qutblangan yagona zarra. Uning spini impuls vektori bo‘ylab yoki unga qarama-qarshi tomonga qat'iy yo‘nalgan.
Elektron va myuon. Elektron va myuon-zaryadlangan zarralar. Ular fizik tabiatiga ko‘ra bir xil zarralar bo‘lib, faqat tinchlikdagi massalari turlicha bo‘lishi bilan farq qiladi. Elektronning tinchlikdagi massasi 0,510 MeV ga teng, myuonniki esa undan 20 marta katta bo‘lib, 105,66 MeV ga tengdir. Elektron ham, myuon ham bir xil 1/2 spinga ega bo‘lib, elektr zaryadlari manfiydir. Antizarralari esa musbat elektr zaryadga ega. Elektron-barqaror zarra. Myuon esa, aksincha, barqaror bo‘lmay, elektron va 2 ta neytrinoga parchalanadi:
μ ^- → e ^- + v _e + v _μ (1)
Myuonning antizarrasi musbat myuon esa quyidagilarga parchalanadi:
μ ⁺ → e ⁺ + v _e + v _μ (2)
Bu reaksiyada ham lepton soni saqlanadi. Bunday jarayonlar uchun myuonning o‘rtacha yashash vaqti 2,2 • 10 ^-6 s ga teng. Elementar zarralar orasida elektron eng birinchi topilgan zarradir. Hozirgi davr elementar zarralar fizikasida myuonning ajoyib, bizga uncha tushunarli bo‘lmagan bir siri mavjud. Uning massasi elektron va proton massalari orasida yotadi. Barcha jarayonlarda myuon o‘zini xuddi og‘ir elektron sifatida tutadi. Bunda esa, myuon elektronning uyg‘ongan holati emasmikan, degan fikr tug‘iladi. 1970-yilda o‘tkazilgan ba’zi tajribalarda myuonning proton va pionlar bilan bo‘lgan reaksiyalarida rezonans holatlar mavjud bo‘lishi mumkinligi aniqlandi. Bu masala ustida hali ko‘p ishlash kerak. Agar haqiqatdan ham shunday rezonanslar mavjud bo‘lsa, ular elektronlar uchun ham bormikan? Bu rezonanslarni qidirish paytida, balki yana bir yangi fundamental o‘zaro ta’sir ochdilar va u kuchli va kuchsiz o‘zaro ta'sirlar orasida bo‘lar. Vodorod atomiga o‘xshash myuon vodorodlari (mezoatomlar) ochilgan. Vodorod atomining bog‘lanish enyergiyasi massasiga proporsional. Shuning uchun myuon myuonli vodorodda proton bilan elektronning bog‘lanish enyergiyasi (13,6 eV)dan 200 marta katta energiya bilan bog‘liq. Yana bir qiziq narsa shuki, myuonli vodorod xuddi oddiy vodorod kabi yana bitta protonni o‘ziga qo‘shib olib myuonli vodorod molekulasini hosil qiladi. Bu hol tajribada ham aniqlangan.