Баяндама
Тақырыбы: Элементар бөлшектер
Тексерген: Курмангалиева В. О.
Орындаған: Данкенова Ф. Г.
1. Кіріспе:
1.1. Элементар бөлшектер туралы түсінік
2. Негізгі бөлім:
2.1. Элементар бөлшектердің негізгі қасиеттері
2.2. Элементар бөлшектердің өзара әсерлесу түрлері
2.3. Элементар бөлшектердің топтастырылуы
2.4. Ұлы біріктіру теориясы туралы ұғым
3. Қорытынды
Дәлірек айтатын болсақ, элементар бөлшек деп алғашқы, құрамды бөліктерге бөлінбейтін микрообъектерді айту керек. Бірақта, элементар бөлшектер туралы айтқанда ядролық физиканың және элементар бөлшектер физикасының қарқынды даму динамикасын ескеру қажет. Тіпті, жақында ғана нуклондар,электрондар және фотондар элементар бөлшектер саналатын еді.
Кейінгі зерттеулер протон және нейтрон, жалпы барлық адрондар сияқты құрамды бөлшектер болып табылатындығын көрсетті. Бұлар іргелірек бөлшектер – кварктардан тұрады.
Қазіргі уақытта дәстүр бойынша элементар бөлшектер деп барлық субъядролық бөлшектер жатқызылады, бірақ бұлардың көпшілігі осы сөздің бастапқы мағынасында элементар емес болып табылады.
Қазіргі уақытта 500-ге жуық элементар бөлшектер белгілі. Бұлардың қатарына протон, нейтрон, электрон және фотонмен қоса π-мезондар, мюондар, τ-лептондар, нейтрино, κ-мезондар, гиперондар, резонанстар және барлық антибөлшектер кіреді. Осы бөлшектердің көпшілігі орнықты емес, олар басқа бөлшектерге түрленіп, спонтанды ыдырайды.
Орнықты бөлшектерге, яғни осы уақытқа дейін бұлардың ыдырауы эксперименттік байқалмаған бөлшектерге, фотон, электрон, нейтриноның барлық түрлері (νе электрондық, νμ мюондық және τ – лептондық ντ), және де бұлардың антибөлшектері жатқызылады.
Сонымен, қазіргі заман көріністері бойынша, бұрын біртұтас деп саналып келген субъядролық элементар бөлшектер деңгейі, шын мәнінде екі деңгейге бөлінеді. Адрондық деп аталатын бұлардың жоғарғысы құрамды бөлшектерден тұрады.
Ең төменгі деңгейде ғылым мен техниканың қазіргі күйінде нағыз элементар деп саналатын, яғни ұсағырақ құрамды бөліктерге бөлінбейтін бөлшектер орналасқан. Бұларды іргелі бөлшектер деп те атайды. Осы деңгейде электрон (және де басқа мезондар), фотон (және басқа әсерлесулерді тасымалдаушылар), және де кварктар орналасады.
Элементар бөлшектердің негізгі қасиеттері. Элементар бөлшектердің массалары мен мөлшерлері аса кіші шамалар болады. Бұлардың көпшілігінің массаларын 
кг протон массасымен салыстыруға келеді. Элементар бөлшектер физикасында массаны электрон-вольтта өрнектеу, яғни бөлшектің m0 массасы орнына 
тыныштық энергиясының мәнін келтіру қабылданған. Осы бірлікерде протон массасы 
болады. Тыныштық массасы нөл емес барлық бөлшектер ішінен елеулі кіші (1836 есе) масса тек электрондікі 
кг немесе 
МэВ. Қазіргі уақытта табылған ең бөлшек – Zo– бозонның массасы протон массасынан 100 есе артық: 
.
Протон, нейтрон, π-мезон және басқа адрондардың мөлшерлері өзара шамалас және реттік шамалары 10-15 м құрайды. Электрон және мюонның қазіргі уақытта мөлшерлері анықталмаған, бірақ олар 10-19 м-ден кіші, яғни 
м.
Барлық элементар бөлшектердің ең маңызды кванттық қасиеттерінің бірі басқа бөлшектермен өзара әрекетінде осыған біріне- бірі өзара түрленіп пайда болып және ыдырау қабілеті болып табылады. Осы жағдайда бөлшектің ыдырау өнімдері ыдырау процесінің өзінде ғана пайда болады. Мысал ретінде электрон – позитрондық жұптың пайда болуын қарастырайық. Осы жұптар 
энергиясы бар фотондардың зарядталған бөлшектермен, әдетте атомдық ядролармен соқтығысқанда түзіледі:
мұнда Х атомдық ядро, ол импульстің сақталу заңы орындалу үшін қажет. Атап өтетін нәрсе, ол электрон мен позитрон жұбының пайда болу процесінде ғана алынады. Бұғанға дейін олар тіпті болмаған, олар фотонның немесе атомдық ядроның құрамына да кірмеген.
Элементар бөлшектердің маңызды сипаттамаларына және орташа өмір сүру уақыты, спин, электр заряды, магниттік моменті жатады. Тағы да лептондық және бариондық заряд бар.
Элементар бөлшектердің τ орташа өмір сүру уақыты бөлшектің орнықтылығын сипаттайды. Фотон, электрон, протон және нейтриноның барлық үш түрі орнықты, бұлардың антибөлшектері де орнықты. Бұл эксперименттерден белгілі. Осы бөлшектердің ыдырауы осы уақытқа дейін байқалмаған.
Электрон мен протонның эксперименттен алынған өмір сүру уақытын бағалау нәтижелері:
жыл,
жыл.
Бірақта элементар бөлшектердің басым көпшілігі орнықты емес, олар өздігінен басқа бөлшектер пайда болып ыдырайды. Мәселен, нейтрон орнықты емес. Еркін нейтронның орташа өмір сүру уақыты 
.
Орташа өмір сүру уақытының реттік шамасы 10-6, 10-8, 10-10, 10-13 с және т.т. болатын элементар бөлшектердің топтары болады. Ең орнықсыз (қысқа өмір сүретін) бөлшектер үшін 
с.
Элементар бөлшектердің маңызды қасиеті іс жүзінде әрбір бөлшекке өзінің антибөлшегі сәйкес келеді.
Антибөлшектердің болатындығын 1930 ж. П. Дирак болжап айтқан. Теория бойынша, бөлшек пен антибөлшектің массалары, өмір сүру уақыты және спині бірдей болуы тиіс. Бұл экспериментте өте дәл расталады. Басқа сипаттамалары мысалы, электр заряды және магниттік моменті модульдері бойынша тең, бірақ таңбалары бойынша қарама – қарсы.
Бөлшек пен антибөлшек мысалдары:
Электрон е- - позитрон е+,
Протон р – антипротон 
,
Нейтрон n – антинейтрон 
.
Бөлшектер мен антибөлшектер әрқашанда электр зарядтарының таңбаларымен өзгешеленеді. Нейтрон n – антинейтрон қос бөлшектің магниттік моенттерінің және бариондық зарядтарының таңбалары әртүрлі болады.
Барлық зарядтары (электрлік, лептондық және бариондық) нөлге тең болатын бөлшектер болады. Осындай бөлшектер нағыз бейтарап деп аталады, олар өздерінің антибөлшектерімен теңбе – тең. Осындай бөлшектерге фотон, πо- және η-мезондар жатады.
Бөлшектер өзінің антибөлшегімен соқтығысқанда бұлар аннгилиляциялана алады. Мысалы, электрон мен позитрон бір – бірімен кездескенде, γ – сәуленің екі фотоны пайда болып, аннигиляцияға түсе алады:
«Аннигиляция» термині жойылу дегенді білдіреді, бірақ оны дәл осылай түсінбеу керек. Осы процесте материяның ешқандай жойылуы болмайды. Оның бір түрі – зат (электрон мен позитрон) – басқа түрге – электромагниттік өріске (фотон) ауысады. Осы жағдайда энергияның сақталу заңы орындалады. Электрон мен позитронның тыныштық энергиясы сәуле энергиясына айналады.
Элементар бөлшектердің өзара әсерлесу түрлері.
Қазіргі уақытта элементар бөлшектер арасындағы әсерлесудің төрт түрі белгілі: күшті, электромагниттік, әлсіз және гравитациялық. Әсерлесу интенсивтігін әдетте А әсерлесу тұрақтысы деп аталатын өлшемділіксіз параметрмен сипаттайды. Бөлшектердің әсерлесетін күші А әсерлесу тұрақтысына пропорционал болады, ал әсерлесу ықтималдығы А2 – қа пропорционал болады. Іргелі әсерлесулердің әр түрлері үшін А тұрақты мәндері кестеде келтірілген. Мұнда және күштердің әрекет ету радиустары және берілген әсерлесу түрі салдарынан ыдырайтын бөлшектердің орташа өмір сүру уақыты (ыдырау уақыты) келтірілген.
| әсерлесу түрі | А әсерлесу тұрақтысы | Күштердің әрекет ету радиусы r, м | Ыдырау уақыты τ,с |
| Күшті | 10-15 | 10-23 | |
| Электромагниттік | 10-2 | ∞ | 10-16 |
| әлсіз | 10-6 | 10-18 | 10-8 |
| гравитациялық | 10-38 | ∞ | - |
А тұрақтысы кұшті әсерлесу үшін шартты түрде бірлік ретінде алынған, әсерлесудің басқа түрлері үшін тұрақтылар күшті әсерлесуге қатысты анықталады.
Элементар бөлшектердің топтастырылуы. Элементар бөлшектерді әдетте төрт топқа бөледі. Бірінші топты әсерлесуді тасымалдаушылар құрайды. Екінші топты лептондар, үшінші – мезондар және төртінші – бариондар құрайды.
| өзара әеркеттерді тасымалдаушылар | Лептондар | адрондар | ||
| мезондар | бариондар | |||
| нуклондар | гиперондар | |||
γ,  , Zo, глюондар
| е, μ, τ, νе, νμ, ντ | π, κ, η және резонанстар | p, n | Λ, Σ, Ξ, Ωжәне резонанстар |
Өзара әрекеттердің тасымалдаушыларына фотон, және Zo – бозондар, және де глюондар жатады. Фотон электромагниттік өзара әрекеттесу тасымалдаушысы болып табылады, ал және Zo – бозондар әлсіз өзара әрекеттесуді тасымалдайды.
Глюондар күшті әрекеттесуге жауап береді.
Лептондар. Лептондар (көне гректің - жеңіл) деп күшті әсерлесуге қатыспайтын, спині ½- ге тең, элементар бөлшектерді айтады, яғни лептондар – фермиондар. Лептондарға электрон е-, мюон μ-, τ – лептон, нейтриноның барлық түрі (νе электрондық, νμ – мюондық, ντ τ - лептондық), және де бұлардың антибөлшектері жатқызылады.
Барлық лептондар әлсіз әсерлесуге қатынасады. Электрлік заряды бар лептондар (электрондар, мюондар және τ - лептондар) әлсіз әсерлесумен қатар, электромагниттік әсерлесуге де қатысады.
Мезондар. Күшті әсерлесуге қатысатын элементар бөлшектер адрондар деп аталады. Адрондар өз кезегінде екі топқа: мезондар және бариондарға бөлінеді.
Мезондар (көне грекше – орташа, аралық) деп нөлдік немесе бүтін санды спинге ие адрондар осылай аталады. Бұлардың қатарына π -, κ-, η-мезондар, және де мезондық резананстар, яғни өмір сүру уақытының реті 10-23 с мезондар жатады. Барлық мезондар – бозе-бөлшектер болып табылады. Мезондар күшті электромагниттік (егер электр заряды болса) және әлсіз әсерлесуге қатысады.
Бариондар. Бариондар (көне грекше - ауыр) деп бүтіннің жартысына тең спинге ие адрондарды айтады. Бариондардың ең жеңілі протон. Барлық бариондар ферми-бөлшектер болып таылады.
Бариондарға нуклондар (протн және нейтрон), гиперондар және бариондық резонанстар жатады.
Протоннан басқа барлық бариондар орнықсыз. Олар нуклондарға және жеңіл бөлшектерге ыдырайды.
Кварктар. Іргелі жорамал бөлшектер. Қазіргі заман түсініктері бойынша барлық белгілі адрондар кварктардан тұрады.
Кварктардың спині ½-ге тең (
бірлігінде), өйткені тек фермиондардан фермиондарды да (ферминдардың тақ санынан), бозондарды да (фермиондардың жұп санынан) «құрастырып» алуға болады.
Кварктарға электрлік және бариондық бөлшек зарядтар таңылады.
Лептондар, адрондар. Кварктер.. Бұлар бүгінгі күнгі физиканың және астрофизиканың негізгі мәселелері туралы ұғым.
зара әрекеттесу түрлері және элементар бөлшектер кластары.
Элементар бөлшектерді бүгінгі күнгі физика дамуының деңгейі бойынша олардың ішкі құрылысы басқа бөлшектерден тұрады деп қарауға болмайтын микробөлшектер.
Элементар бөлшектердің өзара әрекеттесуінің 4 түрі белгілі: күшті өзара, электромагниттік, әлсіз өзара, гравитациялық әрекеттесулер. 30.1-кестеде өзара әрекеттесуге тән тұрақтылардың шамалары және берілген өзара әрекеттесудегі ыдыраған бөлшектердің орташа өмір сүру уақыты келтірілген.
Кесте
| Өзара әрекеттесулер | αi | R,м | τ, с | Сақталу заңдары | Қатысушы-лар* | Тасушылар | Өзгереді түс Аро- мат |
| S E W G | ~1 ~10-2 ~10-10 ~10-38 | 10-15 ∞ ~10-18 ∞ | ~10-23 ~10-20 ~10-13 ? | Бәрі Бәрі, Т д. б. p,E,Jд.б. q,B,Lд.б ? | q(H) q(H),ℓ± W± q(H), ℓ бәрі | gi(i=1...8) γ W± G | + - - - - + ?? |
Белгілер: S – күшті, Е – электромагниттік, W – әлсіз, G –гравитациялық
q – кварктер, H – адрондар, ℓ - лептондар.
1 кесте бойынша қашан және қандай жағдайларда өзара әрекеттесулердің қайсысы басыңқы болатынын түсінуге болады. Мысалы, гравитацилық өзара әрекеттесудің әсерлік радиусы шексіз, универсалды өзара әрекеттесу, бірақ микромир процестерінде әрекеттесу интенсивтілігі ең әлсіз болғандықтан, белгілі әсері жоқ.
Элементар бөлшектерді негізгі 3 класқа бөлуге болады:
Бірінші класқа тек бір ғана бөлшек кіреді – фотон. Ол –электромагниттік сәуле шығару кванты.
Екінші класқа лептондар кіреді. Олар электромагниттік және өзара әлсіз әрекеттесуде қатысады. Олар-нейтрино, электрон, мюон, таон (τ-лептон) және олардың антибөлшектері.
Үшінші класқа адрондар кіреді. Олар электромагниттік және әлсіз әрекеттесуден басқа, күшті өзара әрекеттесе алады- протон, нейтрон, пиондар және каондар.
Өзара әрекеттесудің барлық түрлері үшін энергияның, импульстың, импульс моментінің және электрлік зарядтың сақталу заңдары орындалады. Күшті өзара әрекеттесулерде изотоптық спиннің сақталу заңы орындалады.
Антибөлшектер туралы гипотезаны 1928 ж П. Дирак айтты. 4 жылдан кейін К. Андерсон космос сәулелерінің ішінен позитронды –электронның антибөлшегін тапты. Кванттық теория бойынша бөлшек пен антибөлшектің массалары, вакуумдегі өмір сүру уақыты бірдей, модулі бойынша бірдей, бірақ таңбалары қарама-қарсы электрлік зарядтары және магниттік моменттері, бірдей спиндері және изоспиндері, басқа да қалған элементар бөлшектердің өзара әрекеттесуін суреттейтін кванттық сандары (лептондық және бариондық сандар, оғаштық, әсемдік және басқалары) бірдей болулары керек.
Кварктер. 1964 ж. Гелл-Манн және Цвейг барлық адрондарды құрастыруға болатын фундаментальдық бөлшектер – кварктер табиғатта болуы мүмкін деген гипотеза айтты. Олардың моделі бойынша үш типтес кварктер (u,d,s) және оларға сәйкес антикварктер (u,d,s) болуы керек.
Кесте
| Кварк (анти- Кварк) | Электрлік заряд е өлш. | Бариондық сан В | Спин, | Оғаштық A. S |
u (u)
d (d)
s (s)
c ( )
| +2/3 (-2/3) -1/3 (+1/3) -1/3 (+1/3) +2/3 (-2/3) | +1/3 (-1/3) +1/3 (-1/3) +1/3 (-1/3) +1/3 (-1/3) | 1/2 1/2 1/2 1/2 | -1(+1) -1(+1) |
Кварктердің сыйпаттамалары 2 кестеде көрсетілген. Кварктердің элементарлық электрлік зарядтарының мәндері бөлшек сан, спиндері- 1/2.
Кварктерден адрондар келесі түрде құралады: мезондар қос: кварк-антикварктен, бариондар үш кварктен (антибариондар - үш антикварктен) тұрады. Кейбір бариондар үшін кварктың арнаулы кванттық сыйпаттама енгізілді – түс: “сары”, “көк”, “қызыл”. Сонда әртүрлі“түстегі ” кварктер Паули принципіне қайшылық жасамады. 1974 ж. ашылған нағыз нейтрал (J/Ψ)-мезон,оның массасы шамамен 6000 me, жаңа кварк– с-кварк және жаңа сақталатын шама – “әсемдік” енгізуге әкеп соқты.
Элементарлық бөлшектер теориясының дамуындағы қиыншылықтарға байланысты әр жылдары басқа “ тамаша”,“нағыз ” және т.б. атты кванттық сандар енгізілді.
Кваркті модель өте жемісті болып шықты, ол адрондардың барлық негізгі кванттық сандарын анықтауға мүмкіндік берді. Бұл модель бойынша, тәжірибедегідей, бүтін санды спин мезондар үшін және жартылай санды спин бариондарға тән. Сол модель бойынша жаңа бөлшек – Ω—гиперон болуы керек деген болжам жасалды. Әртүрлі өзара әрекеттесудегі өріс кванттары сияқты кварктердің өзара әрекеттесуіндегі тасушы ретінде глюон деп аталатын жаңа бөлшектер енгізілді. Олар кванттық сан – түсті- бір кварктен екіншісіне тасиды, соның арқасында кварктер бірге бола алады.
Тағы бір сыйпаттама – “аромат”, ол түстен басқа барлық жоғарыда айтылған белгілерді біріктіреді, күшті және электромагниттік өзара әрекеттесуде сақталады.
Сонымен, материяны құрайтын элементтер- алты ароматы бар (және үш түсті) кварктер және также алты ароматты лептондар. Осындай фундаментальдық бөлшектердің арасындағы өзара әрекеттесу – глюондар, фотондар, аралық бозондар және гравитондардың алмасуымен қамтамасыз етіледі.
Бүгінгі күнгі физиканың негізгі мәселесі барлық фундаментальдық өзара әрекеттесудің теориясын біріктіріп, олардың біртұтас теориясын жасау. Үш іргелі әсерлесуге –нәзік, күшті, электромагниттік әсерлесулерге, олардың әсерлесу қарқынының үлкен айырмашылығына қарамастан, ортақ қасиеттер тән. Олардың үшеуінде де бөлшектердің өзара әсерлесуі мөлшерлегіш деп аталатын өріс кванттарын алмастыру арқылы іске асырылады. Әр әсерлесудің өзінің заряды бар. Үшеуінде де өрістегі зарядтарды бейнелейтін математикалық теңдеулердің мекендік мөлшерлегіш деп аталатын түрлендірулерге симметриялығы тән.
Осы симмеитриялық қасиеттің негізінде С. Вайнберг пен А. Салам электромагниттік әсерлесу мен нәзік әсерлесудің біріккен теориясын жасады. Бұл фундаментальды өзара әрекеттесу төменгі энергияларда біртұтас электрәлсіз әрекеттесудің әртүрлі көріністерін суреттейді және олардың арасындағы айырмашылық бөлшектердің энергиялары өскен сайын бірте-бірте жойыла бастайды.
Осы ортақ қасиеттер мен электрнәзік әсерлесу теориясын құрастырудағы табыстардан “осы іргелі әсерлесулердің үшеуін де біріктіретін теория құру мүмкін емес пе?” –екен деген ой туды. Мұндай теория ұлы біріктіру теориясы деп аталады.
Ұлы біріктіру теориясының әрі қарай дамуын іргелі әсерлесулердің барлығын біріктіретін теория құрастыруға талпыну, яғни кванттық-өрістік теорияның құрамына гравитацияны енгізу (“кеңітілген супергравитация”) дүниеге келтіру.
