Kurs ishi 2008-2009 yillar Elementar zarralar. Zarralar va antizarralar. Elementar zarralar

Umuman olinganda, dastlabki paytlarda bor-yo’g’i bir nechagina va materiyaning eng jajji gishtchalari deb hisoblangan elementar zarralar keyinchalik, shu qadar xilma-xil va shu qadar murakkab bo’lib chiqdi.

Elektron va protonlarning antizarralari zaryadining ishorasi bilan farq qilsa, neytron va antineytron xususiy magnit momentlarining ishorasi bilan farq qiladi. Zaryadsiz zarralar foton, π⁰- mezonlarning o’zlari va antizarralarining fizik xossalari bir xil.

Antizarralar to’g’risida ma’lumotga ega bo’lgandan keyin o’quvchida zarra va antizarra uchrashib qolsa nima bo’ladi, degan savol tug’ilishi tabiiy. Ushbu savolga javobni keyingi satrlarda topasiz.

Modda va maydonning bir-biriga aylanishi. Elektronning o’z antizarrasi – positron bilan uchrashuvi ularning elektromagnit nurlanish kvantiga aylanishiga va energiya ajralishiga olib keladi. Bu hodisa annigilyatsiya deyiladi:

e^- e → 2γ.

Nafaqat electron va pozitron, balki barcha zarralar ham o’z antizarralari bilan uchrashganda annigilyatsiyaga kirishadi. Boshqacha aytganda, ular elektromagnit maydon kvantlariga (fotonlarga) aylanadi.

Ushbu holda annigilyatsiya so’zi uncha qulay tanlanmagan. Chunki u lotincha “yo’qolish”degan ma’noni anglatadi.

Agar modaning elekrtomagnit maydon kvantlariga aylanish jarayoni ro’y bersa, unda teskarisi, maydon kvantlarining moddaga aylanish jarayoni ham ro’y bermaydimi, degan savol tug’iladi. Albatta ro’y beradi. Umuman olganda, biz bu jarayon bilan tanishmiz. Energiyasi electron va prozitronning tinchlikdagi energiyalari yig’indisidan katta bo’lgan γ- kvant E_γ> 2m₀c² = 1,02 MeV yadroning yonidan o’tadigan electron-pozitron juftligiga aylanishi mumkin:

γ → e^- e

Elektron-pozitron juftligining paydo bo’lishi va ularning annigilyatsiyasi materiyaning ikki shakli (maydon va modda) o’zaro bir-biriga aylanishlarini ko’rsatadi.

Antimodda. Agar zarralarning antizarralari mavjud bo’lsa, unda antiyadro, aniqrog’I antizarralardan tashkil topgan antimodda yo’qmikan? Antiyadrolarning mavjudligi qayd qilingan. Birinchi antiyadro – antideytron (p va n larning bog’langan holati) 1965- yilda amerikalik fiziklar tomonidan topilgan. Keyinchalik esa serpuxovadagi tezlatgichda antigeliy (1970) va antitritiy (1973) yadrolari hosil qilinadi.

Zarralar bilan to’qnashganda annigilyatsiyaga uchrashi antizarralarning uzoq vaqt zarralar orasida bo’lishiga imkon bermaydi. Shuni alohida takidlash kerakki, annigilyatsiya jarayonida juda katta miqdorda energiya ajralib chiqadi. Solishtirish uchun aytish mumkinki, ajralib chiqadigan energiyadan millionlab marta kattadir. Shunday qilib, annigilyatsiyada o’zaro ta’sirlashadigan zarralarning barcha energiyasi boshqa turdagi energiyaga aylanadi, ya’ni annigilyatsiya mavjud energiya manbalari orasida eng katta energiya ajraladigan jarayondir. Agar olamning bizga yaqin biror joyida antimodda mavjud bo’lganda edi, kuchli miqdorda energiya ajralishi kerak edi. Lekin astofiziklar hanuzgacha bunday holni etmaganlar. Shuning uchun ham antimoddani o’rganish hozircha, faqat modda tuzilishini o’rganish yo’nalishidagi fundamental izlanishlardan iborat bo’lib qolmoqda.

“Buyuk birlashuv” nazariyasi. Yuqorida ta’kidlanganidek, har bir ta’sirlashuvning o’z qonunlari mavjud. Ammo olimlarning fikricha, bu ta’sirlashuvlarning barchasi yagona qonunga bo’ysunishi va soda qilib tushuntirilishi zarur. Boshqacha aytganda, har to’rtala ta’sirlashuvning ham shunday birlashuvi ro’y berishi kerakki, bir yuqorida ko’rgan ta’sirlashuvlar, bu yangi ta’sirlashuvning ma’lum sharoitlarda namoyon bo’ladigan xususiy holiga aylanmog’i lozim. Demak, yangi topilgan nazariya mavjud nazariyalarning umumlashmasi bo’lishi nazarda tutilmoqda. Bundan tashqari, yangi nazariya mavjud nazariyalarning hozirgacha noma’lum bo’lib kelgan ba’zi qirralarini aniqlashga imkon beradi, deb umid qilinmoqda. Ammo bu yo’ldagi ko’plab urinishlar hanuzgacha kutilgan natijani bermadi. Hozirgacha elektromagnit va kuchsiz ta’sirlashuvlargina yagona elektr kuchsiz ta’sirlashuvlargina yagona elektr kuchsiz ta’sirlashuvga birlashtirishning iloji topiladi, xalos. Kun tartibida kuchli, elektromagnit va kuchsiz ta’sirlarni birlashtiruvchi “Buyuk birlashuv” nazariyasi turibdi. Har to’rtala ta’sirlashuvlarni ham o’z ichiga oluvchi “superbirlashuv” nazariyasi ham o’rganilmoqda.

Xuddi shuningdek, elementar zarralarni ham ma’lum qonuniyatlar asosida jadvalga joylashtirish, ya’ni klassifikatsiyalash fiziklarning azaliy orzusidir. Shu maqsadda ularni to’rt guruhga bo’lishga kelishilgan.

Zarralarning nomi			Belgisi		Elektron massasi birligidagi massasi	Elektron massasi birligidagi zaryadi	Yasash vaqti, s
			Zarra	Antizarra
	Foton		γ	γ	0	0	Doimiy
Leptonlar	Elektron neytrinosi Myuon neytrinosi Tau neytrino		ve vμ vτ	ve vμ vτ	0 0 0	0 0 0	Doimiy Doimiy Doimiy
	Elektron		e-	e	1	-1	Doimiy
	Myuon		μ-	μ	207	-1	2,2·10-6
	Tau-lepton		τ-	τ	3492	-1	1,46·10-12
mezonlar	Pi-mezonlar (pionlar)		π0 π	π0 π-	264,1 273,1	0	1,83·10-16 2,6·10-8
	Ka- mezonlar (kaonlar)		K K	K K	966,4 974,1	1	1,2·10-8 K0s- 8,9·10-11 K0L- 5,2·10-8
	Eta-nol- mezonlar		η0	η0	1074	0	2,4·10-19
Barionlar	Nuklonlar	Proton Neytron	p n	p n	1836,1 1838,6	1 0	Doimiy (?)103
	Giperonlar	Giperon- lyambda Giperon- sigma	Λ0 Σ Σ0 Σ-	Λ0 Σ Σ0 Σ-	2183,1 2327,6 2333,6 2343,1	0 1 0 -1	2,63·10-10 8·10-11 5,8·10-20 1,48·10-10
		Giperon-ksi	Ξ0 Ξ-	Ξ0 Ξ-	2572,8 2572,8	0 -1	2,9·10-10 1,64·10-10
		Omega- minus giperon	Ω-	Ω	3273	-1	8,2·10-11

Fotonlar. Bu guruh faqat bitta zarra – elektromagnit nurlanish kvanti fotondan iborat.

Leptonlar. Leptonlar (“leptos” yunoncha – yengil ma’nosini anglatadi) elektromagnit va kuchsiz ta’sirlarda ishtirok etadi.

Mezonlar. Massasi 207 elektron massasidan katta, amo proton massasidan kichik bo’lgan zarralar mezonlar guruhini tashkil qiladi.

Barionlar. Og’ir zarralr. Ular potondan boshlanadi va nuklonlar, giperonlarni o’z ichiga oladi. Barcha ta’sirlashuvlarda ishtirok etadi.

Shu bilan birga, spinining qiymatiga qarab zarralar fermionlaga (spini S = ½ bo’lgan zarralar) va bozonlarga (spini S = 0 yoki butun S = 1 bo’lgan zarralr) bo’linadi. Yashash davriga qarab, zarralr barqaror va beqaror zarralarga ajratiladi.

Kvarklar. Materiyaning eng kichik g’ishtchalari hisoblangan elementar zarralar murakkab tuzilishiga ega ekanligi ma’lum bo’lgandan so’ng, materiyaning haqiqatdan eng kichik g’ishtchalarini izlash muamosi vujudga keladi. Agar shunday zarralar mavjud bo’lsa, hozirgacha bizga ma’lum bo’lgan va murakkab tuzilishiga ega bo’lgan barcha zarralar ulardan tashkil topgan bo’lishi kerak. 1964- yilda amerikalik fizik M.Gell- Mann va D.J.Sveyglar mezonlar va D.J.Sveyglar mezonlar va barionlar kvarklar deb soda zareralardan tashkil topganligi to’g’risidagi gipotezani taklif qildilar. Bu gepotezaga muvofiq, barionlar uchta: u, d, s kvarklardan, antibarionlar esa muvofiq, barionlar antikvarkdan, tashkil topgan. Bu kvarklar yarim spinga ega bo’lishlari, zaryadlari esa elektron zaryadlarning 1/3 va 2/3 qismiga bo’lishlari kerak. Keyinchalik yana ikkita: c “Mafunkor” (ingilizcha “charm”) va b “go’zal” (ingilizcha “beauty”) kvarklari antikvarklari bilan birga kiritildi. Zamonaviy gepotezalarga ko’ra kvarklar ham leptonlar kabi oltita bo’lishi kerak. Lekin t “haqiqiy” (ingilizcha “truth”) kvarkining mahsulini topish maqsadida qilinayotgan barcha urinishlar hozircha hech qanday natija bermaydi. Shu bilan birga kvark va antikvarklarning kombinatsiyalari mavjud mezonlarning barchasi vujudga kelishini tushuntib bera oldi. Shu nuqtai nazardan qaraganda, kvarklar hech qanday ichki tuzilishiga ega emas va ularni chin ma’noda elementar zarralar deb hisoblash mumkin.

Kosmik nurlar. 1912- yilda Yer sirtidagi havo qatlamining ionlashuvi o’rgangan avstriyalik fizik V.F.Gess qiziq natijaga duch keldi. Uning fikriga ko’ra, havoning ionlashuvini asosan Yerdan chiqayotgan radioaktiv nurlar vujudga keltirishi va shuning uchun ham yuqoriga ko’tarilgan sari havoning ionlashuvi kamayishi kerak edi. Ammo tajriba natijasiga ko’ra 5000 m balandlikdagi havoning ionlashish darajasi Yer sirtinikidan 3 marta katta bo’lib chiqdi.

Ushbu holni tahlil qilgan olimlar, havoning ionlashuvini faqatgina Yerning radioaktivligi emas, balki koinotdan va Quyoshdan kelayotgan nurlar ham vujudga keltiriladi, degan xulosaga kelishdi.

Yer - Quyosh sistemasidagi Quyoshdan uzoqligi jihatdan uchinchi (Merkuriy, Venera sayyoralaridan keyin) sayyora. U oʻz oʻqi atrofida va aylanaga juda yaqin boʻlgan elliptik orbita boʻyicha Quyosh atrofida aylanib turadi.

Tajribalarning ko’rsatishicha, kosmik nurlarning intensivligi yuqoriga ko’tarilgan sari tez ortadi va o’zining maksimal qiymatiga erishgach, yana kamaya. Taxminan 50 km balanlikdan boshlab intensivlik qariyb o’zgarmay qoladi. Kosmik nurlar birlamchi va ikkilamchi kosmik nurlarga ajratiladi.

Birlamchi kosmik nurlar. Bevosita kosmosdan keladigan nurlar birlamchi kosmik nurlar deyiladi. Tarkiini o’rganish, birlamchi kosmik nurlar yuqori energiyali elementar zarralar oqimidan iborat ekanligini ko’rsatadi. Uning to’qson foizidan ko’prog’ini protonlar, taxminan yeti foizini α- zarralr, bir foiz atrofidagisini og’irroq atomlarning (Z>20) yadrolari tashkil qiladi. Birlamchi kosmik nurlarning asosiy qismi galaktikadan keluvchi, energiyasi 10²¹ eV gacha bo’lgan nurlar hisoblanib, ular o’zining shu qadar katta energiyasini yulduzlararo magnit maydonlar bilan to’qnashish natijasida oladi.

Shuni ham takidlash lozimki, kosmik nurlarning intensivligi vaqt davomida o’zgarib turadi. Bu Quyosh aktivligining o’zgarishiga bog’liq bo’ladi. Quyoshda chaqnash ro’y bergab paytlarda kosmik nurlarning intensivligi o’nlab va hatto yuzlab foizgacha o’zgarib ketishi mumkin. Bu esa kosmik nurlarning ma’lum bir qismi Quyoshda hosil bo’lishini ko’rsatadi. Birlamchi kosmik nurlar Yer sirtidan 50 km balandliklargacha yetib keladi va shuning uchun ham h ≥ 50 km da kosmik nurlarning intensivligi o’zgarmas bo’ladi.

Ikkilamchi kosmik nurlar. Atmoisferaning yuqori qatlamlarigacha yetib kelgan birlamchi kosmik nurlar u yerdagi atom yadrolari bilan to’qnashib ikkilamchi kosmik nurlarni vujudga keltiradi. Yigirma kilometrdan pastda kosmik nurlarning asosiy qismi ikkilamchi nurlardan iborat bo’ladi. Balandlik kamayishi bilan nurlarning intensivligi ham kamaya boradi. Ikkilamchi kosmik nurlar tarkibiga qarab ikkita: yumshoq va qattiq tashkil etuvchilarga ajratiladi.

Yumshoq tashkil etuvchilar. Qo’rg’oshin kuchli yutiladigan nurlar ikkilamchi kosmik nurlarning yumshoq tashkil etuvchisi bo’ladi. Ular quyidagicha vujudga keladi. Kosmik nurlar tarkibidagi E > 2m_ec² energiyali γ- kvantlar atom yadrosining maydoniga tormozlanadi va elektron-pozitron juftligiga aylanadi. Hosil bo’lgan elektron va pozitronlar ham, o’z navbatida, tormozlanib, γ- kvantni vujudga keltiradi. Energiyasi E > 2m_ec² dan katta bo’lgan bu γ- kvantlar ham, o’z navbatida, yangi elektoron-pozitron juftligiga aylanadi. Bu jarayon γ- kvantning energiyasi E > 2m_ec² dan kichik bo’lgunicha davom etadi. Unga elektron- pozitron- foton jalasi deyiladi. Garchi jalani vujudga keltiradigan birlamchi zarra katta energiyaga ega bo’lsada, jala zarralari “yumshoq” bo’lib, uncha qalin boi’lmagan moddadan ham o’tolmaydi. Shunday qilib, ikkilamchi kosmik nurlarning yumshoq tashkil etuvchilari elektron, pozitron va γ- kvantlardan iborat bo’ladi.

Qattiq tashkil etuvchilar. Ular qo’rg’ishinga katta singish qobiliyatiga ega. 1938- yilda K.Anderson va S.Niddermeyer qattiq tashkil etuvchilarning massalari 207m_e va yashash davrlari 2,2·10^-6 s bo’lgan musbat va manfiy zaryadlangan zarralar oqimidan iborat ekanligini aniqlashdi. Bu zarralarga myuonlar (μ , μ^-) deb nom berishdi. 1947- yilda S.Pauell birlamchi kosmik nurlarning atom yadrolari bilan to’qnashuvlari natijasida 273 m_e massali, oldin no’malum bo’lgan zaryadlangan zarralar paydo bo’lishi aniqladi. Ularning erkin holatdagi yashash davri 1,8·10^-16 s dan kichik bo’lmagan neytral π- mezon kashf qilindi. Poinlar nuklonlar bilan jadal ta’sirlashadigan zarralar hisoblanadi.

Umuman olganda, bu zarralarning mavjudligini yadro kuchlarinig tabiatini tushunturgan X.Yukava bashorat qilgan edi. Yuqorida aytilganidek, ular juda kichik yashash davriga ega bilib, quyidagi sxema bo’yicha parchalanadi:

π → μ ν,

π^- → μ^- ν

va kosmik nurlarning qattiq tashkil etuvchiligi zarralarni hosil qiladi. Poinlardan farqli ravishda, myuonlar yadro ta’sirlashuvlarida ishtirok etmaydi va o’z energiyasini ionlashtirishga srflaydi.

Yerning radiatson belbog’i. zaryadlangan Yer atrofidagi taqsimoti haqidagi dastlabki ma’lumolar Yerning sun’iy yo’ldoshlari yordamida olingan. Yer atrofidagi fazoda yerning magnit ta’sirida vujudga kelgan shunday belbog’ mavjudki, undagi zaryadlangan zarralarning zichligidan yuz milionlab marta kattadir. Zarralardan iborat bunday radiatsion belbog’ deyiladi.

1.Zarralarnifazoning biror qismidan o’tganligini qayd qiluvchi va ba’zi hollarda ularning ba’zi xarakteristikalari, masalan, energiyasini aniqlashga imkon beruvchi asboblar. Bunday asboblarga ssintillyatsion (chaqnovchi) hisoblagich, Chernikov hisoblagichi, gaz zaryadli hisoblagich, yarimo’tkazgichli hisoblagich, yarim o’tkazgichli hisoblagich va impulsli ionlashtiruvchi kamera misol bo’la oladi.

2. Zarraning moddadagi izini kuzatishga, masalan, suratga tushirishga imkon beruvchi asboblar. Bunday asboblarga vilson kamerasi, difuziyali kamera, pufakli kamera, fotoemulsiya usuli misol bo’la oladi. Biz quyida ularning ba’zilari bialn tanishib o’tamiz.

Sintillyatsion hisoblagich. Ish prinsipi tez zarralarning flyuoressiyalanuvchi ekranga tushishida ro’y beradigan chaqnash – sintilyatsiyaning kuzatilishiga asoslangan. Hosil bo’lgan kuchsiz yorug’lik chaqnashi elektr impulslariga aylantiriladi va kuchaytirilib, maxsus apparatlar yordamida qayd qilinadi. α- zarra birinchi marta aynan shunday hisoblagich yordamida (1903- yil) qayd qilingan edi.

Gaz razryadli hisoblagich. Bunday hisoblagich, odatda, gaz to’ldirgan metall silindr (katod) va uning o’qi bo’ylab tortigan ingichka sim (anod)dan iborat bo’ladi. Qayd etiladigan zarra elektrodlar orasidan o’tganda gazni ionlashtiradi. Bu ionlar esa gaz, devor atomlari va molekulalar bilan to’qnashib, ularni ikkilamchi ionlashtiradi. Umuman olganda, ikki xil gaz razryadli hisoblagich mavjud. Birinchisi, proporsional hisoblagich deyilib, unda gaz razryadli nomustaqil bo’ladi. Geyger – Myuller hisoblagichi deb ataluvchi ikkinchi xil hisoblagichda esa gaz razryadli mustaqil bo’ladi.

Vilson kamerasi. Kamera 1911- yilda ingiliz fiziigi Ch.Vilson tomonidan yaratilgan. U tez uchib ketayotgan zarralarning bug’simon holatdagi moddadan o’tganida, shu modda molekulalarini ionlashtirishiga asoslangan.