Kvark

Kvark — Standart modeldagi fundamental zarra. Uning zaryadi $e/3$ ga karrali boʻlib, erkin holda mavjud boʻla olmaydi. Biroq adronlar (kuchli o'zaro ta'sirda ishtirok etuvchi zarralar, masalan proton va neytron) tarkibida boʻladi. Kvarklarni strukturaga ega boʻlmagan nuqtaviy zaryadlar deb atash mumkin; ularning oʻlchami $\sim 10^{-16}$ sm tartibida boʻlishi aniqlangan. Bu oʻlcham protonning oʻlchamidan ming marta kichikdir.

Hozirgi kunda kvarklarning 6 xil turi (baʼzida aromatlar deb ham yuritiladi) maʼlum. Bundan tashqari, kvarklarning ichki xossalarini tavsiflash uchun „rang“ tushunchasi ham kiritilgan. Har bir kvarkka mos holda antikvark mavjud. Ular bir biridan kvant soni bilan farq qiladi.

Adronlar yanada kichik tarkibiy qismlardan tashkil topgani haqidagi gipotezani ilk bor M.Gellman va undan mustaqil ravishda 1964-yili J.Sveyg ilgari surgan.

Nomlanish tarixi

"Kvark" soʻzi Gellman tomonidan J.Joysning „Pominki po Finneganu“ asaridan olingan. Ushbu asar epizodlarining birida qushlar „Three quarks for Muster Mark!“ („Mister Mark uchun uchta kvark!“ deb tarjima qilish mumkin) deb qichqiradi. Bundan tashqari, R.Yakobson tomonidan ilgari surilgan variant ham mavjud boʻlib, unga koʻra, Joys ushbu soʻzni Venada boʻlgan vaqtida nemis tilidan oʻzlashtirgan. Nemis tilida quark soʻzi ikki xil maʼnoni anglatishi mumkin: 1) tvorog; 2) arzimagan narsa. Nemis tiliga esa ushbu soʻz gʻarbiy slavyan tillari oilasidan kelib qolgan (chex tilida tvaroh, yoki polyak tilida twarog). Irland fizigi Loxlin OʻRafertining fikriga koʻra, Joys Germaniyada boʻlgan vaqtida qishloq xoʻjalik yarmarkasida $Drei\ Mark\ f{\ddot {u}}r\ Masterquark$ („Namunali tvorog uchun uch marka“) deb yozilgan reklama eʼlonini koʻrgan boʻlishi mumkin.

J.Sveyg kvarklarni tuzlar deb ham atagan. Lekin ushbu nom uzoq yashamadi va unutilib ketdi, chunki tuzlar toʻrtta, kvarklar esa birlamchi modelga koʻra toʻrtta boʻlgan.

Kvarklar mavjudligining isboti

Kuchli oʻzaro taʼsirning oʻziga xos xususiyatlaridan biri — konfaynment mavjudligi tufayli, kvarklarni erkin holda uchratish imkonsiz. Shu sababli koʻpchilikda u shunchaki matematik modellashtirish natijasi sifatida taassurot qoldiradi.

Quyida esa kvarklar haqiqatdan ham mavjud zarralar ekanligiga isbotlarni keltiramiz:

1960-yillardayoq tajribalardan adronlar oʻz-oʻzidan multipletlar va supermultipletlarga birlashishi isbotlandi. Boshqacha aytganda, multipletlarga birlashish uchun adronlarning erkinlik darajasi juda kichik boʻlishi lozim. Masalan, barcha barionlarning erkinlik darajasi uchga, mezonlarning erkinlik darajasi esa ikkiga teng. Bu esa ularning tarkibidagi kvarklar soni bilan mos keladi. Shu sababli ham kvarklarni bir vaqtlar „subadron erkinlik darajasi“ deb atashgan.
yangi zarralar kashf etilgandan soʻng maʼlum boʻldiki, ular tufayli standart modelga hech qanday tuzatish yoki oʻzgartirish kiritish shart emas ekan. Barcha yangi kashf qilingan adronlar soʻzsiz kvark strukturasiga mos keldi.
kvarklarning elektr zaryadi haqiqatdan ham kasr son koʻrinishida ekanligini qanday qilib isbotlash mumkin? Kvarklar modeliga binoan, yuqori energiyali elektron va pozitron annigilyatsiyaga uchraganda, dastlab adronlar emas, balki kvark-antikvark juftligi hosil boʻladi. Ular esa keyin adronlarga aylanadi. Ushbu jarayonning sodir boʻlish vaqti tugʻilgan kvarklarning zaryadiga bogʻliq boʻladi. Oʻtkazilgan tajribalar ushbu nazariyaning toʻgʻri ekanligini tasdiqladi.
yuqori energiyali tezlatkichlar davri boshlangandan soʻng esa, adronlar ichida impuls taqsimotini oʻrganish imkoniyati paydo boʻldi. Shundan soʻng aniq boʻldiki, adronlarda, masalan protonda impuls tekis taqsimlanmagan ekan. Unda turli erkinlik darajalari boʻyicha har xil taqsimlangan. Ushbu erkinlik darajalarini partonlar deb atashgan (partonlar — adronlarning oʻlchami juda kichik boʻlgan tashkil etuvchilari boʻlib, adronlarning leptonlar hamda boshqa adronlar bilan absolyut noelastik toʻqnashuvi natijasida hosil boʻladi).
tezlatkichlarning energiyalari ortib borishi bilan, oʻta yuqori energiyalarda adron tarkibidan alohida kvarkni urib chiqarishga urinib koʻrildi. Kvarklar nazariyasiga binoan, bunday toʻqnashuvlar natijasida adron tori hosil boʻlishi kerak edi. Tajribalar ushbu torlar kuzatildi. Demak, agar proton hech narsadan tashkil topmagan boʻlganida (yaʼni oʻzi elementar zarra boʻlganida) edi, bu torlar tajribada kuzatilmagan boʻlar edi.
yuqori energiyalarda adronlarning oʻzaro toʻqnashuvi natijasida, bir adron tarkibidagi kvark ikkinchi adron tarkibidagi antikvark bilan annigilyatsiyaga uchraydi va myuon-antimyuon juftligi hosil boʻladi (Drell-Yan hodisasi).
kvarklar modeli orqali proton va neytronlarning magnit momentlari orasidagi farq ${\frac {\mu _{p}}{\mu _{n}}}=-{\frac {3}{2}}$ borligini aytadi. Ushbu qiymat tajribada aniqlangan −1,47 qiymat bilan juda yaxshi mos keladi.

Shu sababli kvarklar modeli 1976-yilda umumjahon fiziklar hamjamiyati tomonidan tan olingan.

Kvarklarning asosiy xossalari

Kvarklar, hozircha maʼlum boʻlmagan sabablarga koʻra uchta avlodga ajraladi. Har bir avloddagi kvarklarning bittasi $+{\frac {2}{3}}$ , ikkinchisi esa $-{\frac {1}{3}}$ zaryadga ega.

Adronlar „rangsiz“ zaryadga ega .

Kvarklar kuchli, kuchsiz, gravitatsion hamda elektromagnit oʻzaro taʼsirlarda qatnashadi. Kuchli oʻzaro taʼsirda (glyuonlar ishtirokida) kvarklar rangini oʻzgartirishi mumkin, lekin ularning aromati (yaʼni hidi) oʻzgarmaydi. Kuchsiz oʻzaro taʼsirda, esa, aksincha, kvarklarning aromati oʻzgaradi, rangi esa oʻzgarmaydi. Kuchli oʻzaro taʼsirning oʻziga xos tabiati tufayli, yolgʻiz kvark hech qachon boshqa kvarklardan uzoqqa ketolmaydi. Ular erkin holda boʻla olmaydi (bu hodisani konfaynment deb ataladi). Kvarklarning bir nechtasidan iborat boʻlgan kombinatsiyasi „rangsiz“ adronlarni hosil qiladi.

Kvarklar nazariyasining matematik apparati SU(3) izospin almashtirishlar bilan bogʻliq. Ushbu nazariya eksperimentda tasdiqlangan boʻlib, haqiqatdan ham kvarklar oʻrtasidago oʻzaro taʼsir SU(3) almashtirishlarga nisbatan invariantlikni saqlab qoladi.

Kvark va antikvark annigilyatsiyalanishi mumkin. Bir xil tipli turli zaryadlarga ega boʻlgan kvarklar, qoidaga binoan, ikkita foton hosil boʻlishi bilan roʻy beradigan annigilyatsiyaga uchraydi (yaʼni elektromagnit oʻzaro taʼsir katta rol oʻynaydi). Masalan, kvark va antikvarkning kombinatsiyasidan ( $u{\overline {u}}$ — $d{\overline {d}}$ )tashkil topgan neytral $\pi ^{0}$ — mezon, elektromagnit annigilyatsiya yoʻli bilan parchalanadi.

Neytral piondan ogʻirroq boʻlgan zarralar ( $J/\psi$ -mezon, $\Upsilon$ -mezon), kuchli oʻzaro taʼsir hamda ikki yoki uchta glyuon ishtirokida annigilyatsiyaga uchraydi. Yuqori energiyalarda adronlar orasidagi toʻqnashuvlarda kuchsiz oʻzaro taʼsir kesimining ortib borishi kuzatiladi. Natijada kvark va antikvark virtual yoki real $W^{\pm }$ -bozon hamda $Z^{0}$ -bozonlarni hosil qiladi. Shuni alohida taʼkidlash lozimki, annigilyatsiyalanayotgan kvark va antikvark bir xil tipli boʻlishi shart emas. Masalan, zaryadlangan pi-mezonning parchalanishini koʻrib chiqishimiz mumkin: $\pi ^{+}\rightarrow \mu ^{+}+\nu _{\mu }$ . Ushbu mezon parchalanishida kuchsiz oʻzaro taʼsir ustunlik qiladi, natijada ${\overline {d}}u$ kvarklar juftligi annigilyatsiyaga uchrab virtual $W^{+}$ -bozonlarni, undan soʻng esa leptonlar juftligini hosil qiladi. Baʼzida esa ushbu jarayonga teskari boʻlgan, yaʼni kvark-antikvark juftligining hosil boʻlishi ham uchrab turadi.

^[1]
Zarra		Massasi (MeV/c²)^*	J	B	Q (e)	I₃	C	S	T	B′	Antizarra
Nomi	Belgilanishi	Massasi (MeV/c²)^*	J	B	Q (e)	I₃	C	S	T	B′	Nomi	Belgilanishi
Birinchi avlod
up	$u$	$2,3\pm 0,7\pm 0,5$	${\frac {1}{2}}$	$+{\frac {1}{3}}$	$+{\frac {2}{3}}$	$+{\frac {1}{2}}$	0	0	0	0	antiup	${\overline {u}}$
down	$d$	$4,8\pm 0,5\pm 0,3$	${\frac {1}{2}}$	$+{\frac {1}{3}}$	$-{\frac {1}{3}}$	$-{\frac {1}{2}}$	0	0	0	0	antidown	${\overline {d}}$
Ikkinchi avlod
charm	$c$	$1275\pm 25$	${\frac {1}{2}}$	$+{\frac {1}{3}}$	$+{\frac {2}{3}}$	0	+1	0	0	0	anticharm	${\overline {c}}$
strange	$s$	$95\pm 5$	${\frac {1}{2}}$	$+{\frac {1}{3}}$	$-{\frac {1}{3}}$	0	0	−1	0	0	antistrange	${\overline {s}}$
Uchinchi avlod
top	$t$	$173210\pm 510\pm 710^{*}$	${\frac {1}{2}}$	$+{\frac {1}{3}}$	$+{\frac {2}{3}}$	0	0	0	+1	0	antitop	${\overline {t}}$
bottom	$b$	$4180\pm 30$	${\frac {1}{2}}$	$+{\frac {1}{3}}$	$-{\frac {1}{3}}$	0	0	0	0	−1	antibottom	${\overline {b}}$

J = to'liq burchak momenti, B = barion zaryadi, Q = elektr zaryadi,
I₃ = izospin, C = maftunkorlik, S = g'alatilik, T = yuqori, B′ = quyi.

top kvark massasining qiymatidagi bunday qiymatlar ikki xil chetlanishga: statistik hamda sistematik chetlanishga mos keladi.

Kvarklarning fundamental oʻzaro taʼsirlardagi ishtiroki

Kuchsiz oʻzaro taʼsir natijasida kvarklar oʻz aromatini oʻzgartirishi mumkin. $W$ -bozon yutish yoki chiqarish bilan amalga oshadigan parchalanish reaksiyalarida „yuqori“ (up) tipga ega boʻlgan kvarklar (up, charm, truth/top), „quyi“ (down) tipdagi kvarklar (down, strange, beauty/bottom)ga aylanishi mumkin. Ushbu hodisa orqali $\beta$ -parchalanishni tushuntirish mumkin.

n\rightarrow p+e^{-}+{\overline {\nu }}_{e}

udd\rightarrow uud+e^{-}+{\overline {\nu }}_{e}

\beta ^{-}

parchalanishning Feynman diagrammasi.

Ushbu reaksiyani Feynman diagrammasi orqali rasmdagi kabi tasvirlash mumkin. Beta parchalanish, hozirda tibbiyotda pozitron-emission tomografiya (PET) da, bundan tashqari neytrinoni aniqlash maqsadida keng qoʻllanadi.

Beta-parchalanish uchun CKM-matritsa (Cabibbo-Kobayashi-Masakawa) quyidagi koʻrinishga ega boʻladi:

{\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\approx {\begin{bmatrix}0.974&0.225&0.003\\0.225&0.973&0.041\\0.009&0.040&0.999\end{bmatrix}}

Bu yerda $V_{ij}$ — kvarklar aromatining $i$ dan $j$ turga oʻzgarishini bildiradi. Koʻrinib turibdiki, kvarklar uchun ushbu matritsa birlik matritsaga juda yaqin.

Yana qarang

Manbalar

↑ K. A. Olive; et al. (Particle Data Group) (2014). „Review of Particle Physics“. Chinese Physics C. 38-jild, № 9. 1–708-bet. Bibcode:2014ChPhC..38i0001O. doi:10.1088/1674-1137/38/9/090001. ISSN 1674-1137. PMID 10020536.

[PDGQuarks-1] K. A. Olive; et al. (Particle Data Group) (2014). „Review of Particle Physics“. Chinese Physics C. 38-jild, № 9. 1–708-bet. Bibcode:2014ChPhC..38i0001O. doi:10.1088/1674-1137/38/9/090001. ISSN 1674-1137. PMID 10020536.

[1]