Kvark

Кварк — Стандарт моделдаги фундаментал зарра. Унинг заряди ${\дисплайстйле э/3}$ га каррали бўлиб, эркин ҳолда мавжуд бўла олмайди. Бироқ адронлар (кучли о'заро та'сирда иштирок этувчи зарралар, масалан протон ва нейтрон) таркибида бўлади. Кваркларни структурага эга бўлмаган нуқтавий зарядлар деб аташ мумкин; уларнинг ўлчами ${\дисплайстйле \сим 10^{-16}}$ см тартибида бўлиши аниқланган. Бу ўлчам протоннинг ўлчамидан минг марта кичикдир.

Ҳозирги кунда кваркларнинг 6 хил тури (баъзида ароматлар деб ҳам юритилади) маълум. Бундан ташқари, кваркларнинг ички хоссаларини тавсифлаш учун „ранг“ тушунчаси ҳам киритилган. Ҳар бир кваркка мос ҳолда антикварк мавжуд. Улар бир биридан квант сони билан фарқ қилади.

Адронлар янада кичик таркибий қисмлардан ташкил топгани ҳақидаги гипотезани илк бор М.Геллман ва ундан мустақил равишда 1964-йили Ж.Свейг илгари сурган.

Номланиш тарихи

"Кварк" сўзи Геллман томонидан Ж.Жойснинг „Поминки по Финнегану“ асаридан олинган. Ушбу асар эпизодларининг бирида қушлар „Тҳреэ қуаркс фор Мустер Марк!“ („Мистер Марк учун учта кварк!“ деб таржима қилиш мумкин) деб қичқиради. Бундан ташқари, Р.Якобсон томонидан илгари сурилган вариант ҳам мавжуд бўлиб, унга кўра, Жойс ушбу сўзни Венада бўлган вақтида немис тилидан ўзлаштирган. Немис тилида қуарк сўзи икки хил маънони англатиши мумкин: 1) творог; 2) арзимаган нарса. Немис тилига эса ушбу сўз ғарбий славян тиллари оиласидан келиб қолган (чех тилида твароҳ, ёки поляк тилида тwарог). Ирланд физиги Лохлин ЎРафертининг фикрига кўра, Жойс Германияда бўлган вақтида қишлоқ хўжалик ярмаркасида ${\дисплайстйле Дреи\ Марк\ ф\ддот{у}р\ Мастерқуарк}$ („Намунали творог учун уч марка“) деб ёзилган реклама эълонини кўрган бўлиши мумкин.

Ж.Свейг кваркларни тузлар деб ҳам атаган. Лекин ушбу ном узоқ яшамади ва унутилиб кетди, чунки тузлар тўртта, кварклар эса бирламчи моделга кўра тўртта бўлган.

Кварклар мавжудлигининг исботи

Кучли ўзаро таъсирнинг ўзига хос хусусиятларидан бири — конфайнмент мавжудлиги туфайли, кваркларни эркин ҳолда учратиш имконсиз. Шу сабабли кўпчиликда у шунчаки математик моделлаштириш натижаси сифатида таассурот қолдиради.

Қуйида эса кварклар ҳақиқатдан ҳам мавжуд зарралар эканлигига исботларни келтирамиз:

1960-йиллардаёқ тажрибалардан адронлар ўз-ўзидан мултиплетлар ва супермултиплетларга бирлашиши исботланди. Бошқача айтганда, мултиплетларга бирлашиш учун адронларнинг эркинлик даражаси жуда кичик бўлиши лозим. Масалан, барча барионларнинг эркинлик даражаси учга, мезонларнинг эркинлик даражаси эса иккига тенг. Бу эса уларнинг таркибидаги кварклар сони билан мос келади. Шу сабабли ҳам кваркларни бир вақтлар „субадрон эркинлик даражаси“ деб аташган.
янги зарралар кашф этилгандан сўнг маълум бўлдики, улар туфайли стандарт моделга ҳеч қандай тузатиш ёки ўзгартириш киритиш шарт эмас экан. Барча янги кашф қилинган адронлар сўзсиз кварк структурасига мос келди.
кваркларнинг электр заряди ҳақиқатдан ҳам каср сон кўринишида эканлигини қандай қилиб исботлаш мумкин? Кварклар моделига биноан, юқори энергияли электрон ва позитрон аннигиляцияга учраганда, дастлаб адронлар эмас, балки кварк-антикварк жуфтлиги ҳосил бўлади. Улар эса кейин адронларга айланади. Ушбу жараённинг содир бўлиш вақти туғилган кваркларнинг зарядига боғлиқ бўлади. Ўтказилган тажрибалар ушбу назариянинг тўғри эканлигини тасдиқлади.
юқори энергияли тезлаткичлар даври бошлангандан сўнг эса, адронлар ичида импулс тақсимотини ўрганиш имконияти пайдо бўлди. Шундан сўнг аниқ бўлдики, адронларда, масалан протонда импулс текис тақсимланмаган экан. Унда турли эркинлик даражалари бўйича ҳар хил тақсимланган. Ушбу эркинлик даражаларини партонлар деб аташган (партонлар — адронларнинг ўлчами жуда кичик бўлган ташкил этувчилари бўлиб, адронларнинг лептонлар ҳамда бошқа адронлар билан абсолют ноэластик тўқнашуви натижасида ҳосил бўлади).
тезлаткичларнинг энергиялари ортиб бориши билан, ўта юқори энергияларда адрон таркибидан алоҳида кваркни уриб чиқаришга уриниб кўрилди. Кварклар назариясига биноан, бундай тўқнашувлар натижасида адрон тори ҳосил бўлиши керак эди. Тажрибалар ушбу торлар кузатилди. Демак, агар протон ҳеч нарсадан ташкил топмаган бўлганида (яъни ўзи элементар зарра бўлганида) эди, бу торлар тажрибада кузатилмаган бўлар эди.
юқори энергияларда адронларнинг ўзаро тўқнашуви натижасида, бир адрон таркибидаги кварк иккинчи адрон таркибидаги антикварк билан аннигиляцияга учрайди ва мюон-антимюон жуфтлиги ҳосил бўлади (Дрелл-Ян ҳодисаси).
кварклар модели орқали протон ва нейтронларнинг магнит моментлари орасидаги фарқ ${\дисплайстйле \фраc{\му_{п}}{\му_{н}}=-\фраc{3}{2}}$ борлигини айтади. Ушбу қиймат тажрибада аниқланган −1,47 қиймат билан жуда яхши мос келади.

Шу сабабли кварклар модели 1976-йилда умумжаҳон физиклар ҳамжамияти томонидан тан олинган.

Кваркларнинг асосий хоссалари

Кварклар, ҳозирча маълум бўлмаган сабабларга кўра учта авлодга ажралади. Ҳар бир авлоддаги кваркларнинг биттаси ${\дисплайстйле +\фраc{2}{3}}$ , иккинчиси эса ${\дисплайстйле -\фраc{1}{3}}$ зарядга эга.

Кварклар кучли, кучсиз, гравитацион ҳамда электромагнит ўзаро таъсирларда қатнашади. Кучли ўзаро таъсирда (глюонлар иштирокида) кварклар рангини ўзгартириши мумкин, лекин уларнинг аромати (яъни ҳиди) ўзгармайди. Кучсиз ўзаро таъсирда, эса, аксинча, кваркларнинг аромати ўзгаради, ранги эса ўзгармайди. Кучли ўзаро таъсирнинг ўзига хос табиати туфайли, ёлғиз кварк ҳеч қачон бошқа кварклардан узоққа кетолмайди. Улар эркин ҳолда бўла олмайди (бу ҳодисани конфайнмент деб аталади). Кваркларнинг бир нечтасидан иборат бўлган комбинацияси „рангсиз“ адронларни ҳосил қилади.

Кварклар назариясининг математик аппарати СУ(3) изоспин алмаштиришлар билан боғлиқ. Ушбу назария экспериментда тасдиқланган бўлиб, ҳақиқатдан ҳам кварклар ўртасидаго ўзаро таъсир СУ(3) алмаштиришларга нисбатан инвариантликни сақлаб қолади.

Кварк ва антикварк аннигиляцияланиши мумкин. Бир хил типли турли зарядларга эга бўлган кварклар, қоидага биноан, иккита фотон ҳосил бўлиши билан рўй берадиган аннигиляцияга учрайди (яъни электромагнит ўзаро таъсир катта рол ўйнайди). Масалан, кварк ва антикваркнинг комбинациясидан ( ${\дисплайстйле у\оверлине{у}}$ — ${\дисплайстйле д\оверлине{д}}$ )ташкил топган нейтрал ${\дисплайстйле \пи^{0}}$ — мезон, электромагнит аннигиляция йўли билан парчаланади.

Нейтрал пиондан оғирроқ бўлган зарралар ( ${\дисплайстйле Ж/\пси}$ -мезон, ${\дисплайстйле \Упсилон}$ -мезон), кучли ўзаро таъсир ҳамда икки ёки учта глюон иштирокида аннигиляцияга учрайди. Юқори энергияларда адронлар орасидаги тўқнашувларда кучсиз ўзаро таъсир кесимининг ортиб бориши кузатилади. Натижада кварк ва антикварк виртуал ёки реал ${\дисплайстйле W^{\пм}}$ -бозон ҳамда ${\дисплайстйле З^{0}}$ -бозонларни ҳосил қилади. Шуни алоҳида таъкидлаш лозимки, аннигиляцияланаётган кварк ва антикварк бир хил типли бўлиши шарт эмас. Масалан, зарядланган пи-мезоннинг парчаланишини кўриб чиқишимиз мумкин: ${\дисплайстйле \пи^{+}\ригҳтарроw\му^{+}+\ну_{\му}}$ . Ушбу мезон парчаланишида кучсиз ўзаро таъсир устунлик қилади, натижада ${\дисплайстйле \оверлине{д}у}$ кварклар жуфтлиги аннигиляцияга учраб виртуал ${\дисплайстйле W^{+}}$ -бозонларни, ундан сўнг эса лептонлар жуфтлигини ҳосил қилади. Баъзида эса ушбу жараёнга тескари бўлган, яъни кварк-антикварк жуфтлигининг ҳосил бўлиши ҳам учраб туради.

^[1]
Зарра		Массаси (МеВ/c²)^*	Ж	Б	Қ (э)	И₃	C	С	Т	Б′	Антизарра
Номи	Белгиланиши	Массаси (МеВ/c²)^*	Ж	Б	Қ (э)	И₃	C	С	Т	Б′	Номи	Белгиланиши
Биринчи авлод
уп	${\дисплайстйле у}$	${\дисплайстйле 2,3\пм 0,7\пм 0,5}$	${\дисплайстйле \фраc{1}{2}}$	${\дисплайстйле +\фраc{1}{3}}$	${\дисплайстйле +\фраc{2}{3}}$	${\дисплайстйле +\фраc{1}{2}}$	0	0	0	0	антиуп	${\дисплайстйле \оверлине{у}}$
доwн	${\дисплайстйле д}$	${\дисплайстйле 4,8\пм 0,5 \пм 0,3}$	${\дисплайстйле \фраc{1}{2}}$	${\дисплайстйле +\фраc{1}{3}}$	${\дисплайстйле -\фраc{1}{3}}$	${\дисплайстйле -\фраc{1}{2}}$	0	0	0	0	антидоwн	${\дисплайстйле \оверлине{д}}$
Иккинчи авлод
чарм	${\дисплайстйле c}$	${\дисплайстйле 1275\пм 25}$	${\дисплайстйле \фраc{1}{2}}$	${\дисплайстйле +\фраc{1}{3}}$	${\дисплайстйле +\фраc{2}{3}}$	0	+1	0	0	0	античарм	${\дисплайстйле \оверлине{c}}$
странге	${\дисплайстйле с}$	${\дисплайстйле 95\пм 5}$	${\дисплайстйле \фраc{1}{2}}$	${\дисплайстйле +\фраc{1}{3}}$	${\дисплайстйле -\фраc{1}{3}}$	0	0	−1	0	0	антистранге	${\дисплайстйле \оверлине{с}}$
Учинчи авлод
топ	${\дисплайстйле т}$	${\дисплайстйле 173210\пм 510\пм 710^{*}}$	${\дисплайстйле \фраc{1}{2}}$	${\дисплайстйле +\фраc{1}{3}}$	${\дисплайстйле +\фраc{2}{3}}$	0	0	0	+1	0	антитоп	${\дисплайстйле \оверлине{т}}$
боттом	${\дисплайстйле б}$	${\дисплайстйле 4180\пм 30}$	${\дисплайстйле \фраc{1}{2}}$	${\дисплайстйле +\фраc{1}{3}}$	${\дисплайстйле -\фраc{1}{3}}$	0	0	0	0	−1	антиботтом	${\дисплайстйле \оверлине{б}}$

Ж = то'лиқ бурчак моменти, Б = барион заряди, Қ = электр заряди,
И₃ = изоспин, C = мафтункорлик, С = г'алатилик, Т = юқори, Б′ = қуйи.

топ кварк массасининг қийматидаги бундай қийматлар икки хил четланишга: статистик ҳамда систематик четланишга мос келади.

Кваркларнинг фундаментал ўзаро таъсирлардаги иштироки

Кучсиз ўзаро таъсир натижасида кварклар ўз ароматини ўзгартириши мумкин. ${\дисплайстйле W}$ -бозон ютиш ёки чиқариш билан амалга ошадиган парчаланиш реаксияларида „юқори“ (уп) типга эга бўлган кварклар (уп, чарм, трутҳ/топ), „қуйи“ (доwн) типдаги кварклар (доwн, странге, беаутй/боттом)га айланиши мумкин. Ушбу ҳодиса орқали ${\дисплайстйле \бета}$ -парчаланишни тушунтириш мумкин.

{\дисплайстйле н\ригҳтарроw п + э^{-} + \оверлине{\ну}_{э}}

{\дисплайстйле удд \ригҳтарроw ууд + э^{-} + \оверлине{\ну}_{э}}

${\дисплайстйле \бета^{-}}$ парчаланишнинг Фейнман диаграммаси.

Ушбу реаксияни Фейнман диаграммаси орқали расмдаги каби тасвирлаш мумкин. Бета парчаланиш, ҳозир тиббиётда позитрон-эмиссион томография (ПЕТ) да, бундан ташқари нейтринони аниқлаш мақсадида кенг қўлланади.

Бета-парчаланиш учун CКМ-матрица (Cабиббо-Кобаяши-Масакаwа) қуйидаги кўринишга эга бўлади:

{\дисплайстйле {\бегин{бматрих}|В_{\матҳрм {уд} }|&|В_{\матҳрм {ус} }|&|В_{\матҳрм {уб} }|\\|В_{\матҳрм {cд} }|&|В_{\матҳрм {cс} }|&|В_{\матҳрм {cб} }|\\|В_{\матҳрм {тд} }|&|В_{\матҳрм {ц} }|&|В_{\матҳрм {тб} }|\энд{бматрих}}\аппрох {\бегин{бматрих}0.974&0.225&0.003\\0.225&0.973&0.041\\0.009&0.040&0.999\энд{бматрих}}}

Бу ерда ${\дисплайстйле В_{иж}}$ — кварклар ароматининг ${\дисплайстйле и}$ дан ${\дисплайстйле ж}$ турга ўзгаришини билдиради. Кўриниб турибдики, кварклар учун ушбу матрица бирлик матрицага жуда яқин.

Яна қаранг

Манбалар

↑ К. А. Оливе; эт ал. (Партиcле Дата Гроуп) (2014). „Ревиэw оф Партиcле Пҳйсиcс“. Чинесе Пҳйсиcс C. 38-жилд, № 9. 1–708-бет. Бибcоде:2014ЧПҳC..38и0001О. дои:10.1088/1674-1137/38/9/090001. ИССН 1674-1137. ПМИД 10020536.

[PDGQuarks-1] К. А. Оливе; эт ал. (Партиcле Дата Гроуп) (2014). „Ревиэw оф Партиcле Пҳйсиcс“. Чинесе Пҳйсиcс C. 38-жилд, № 9. 1–708-бет. Бибcоде:2014ЧПҳC..38и0001О. дои:10.1088/1674-1137/38/9/090001. ИССН 1674-1137. ПМИД 10020536.

[1]