El. dalelės ir fundamentaliosios jėgos. Vartiklis

Elementariosiomis dalelėmis suvokiami objektai, kurie, dabartiniame eksperimentų lygyje, nesiskaido į paprastesnes esybes. Pirmąją el. dalelę (elektroną) 1897 m. atrado anglų fizikas Dž. Tomsonas. Ir nuo tada atrasta keli šimtai panašių materijos „blokelių“. Tačiau nėra tikrumo, ar jos pačios nėra sudarytos iš kažko dar paprastesnio – ir tai skatina tyrinėjimus.

El. dalelės apibūdinamos parametrais: mase, savasis judesio momentas (spinas), krūvis^p1). Jų pagalba aprašomos sąveikos ir (arba) išsaugojimo dėsniai. Jei dalelė nestabili, t.y. savaime suyra vakuume, tai pagal apibrėžtas schemas paskaičiuojamas jos gyvavimo trukmės laikas, pilnai išreiškiamas per fundamentalių konstantų rinkinį. Jo garbei pavadintas el. dalelių klasė (bozonai). El. dalelės laukas

Judesio momentas (spinas) visada nurodomas Planko konstantos¹⁾ h vienetais. Dalelės, kurioms jis išreiškiamas sveikais skaičiais (1, 2, 3, ...), vadinamos bozonais (indų fiziko Šatjendranato Bozės²⁾ garbei), o pusiniais (1/2, 3/2, 5/2, …) - fermionais (italų fiziko E. Fermi garbei).

Krūvis visada nurodomas elektrono krūvio vienetais, o elektromagnetinėms sąveikoms patogi bematis dydis a=e²/hc, vadinama smulkiosios struktūros konstanta³⁾, apytiksliai lygi 1/137. Analogiškos konstantos stipriųjų sąveikų aprašymams yra 100-1000 kartų didesnės. Silpnajai sąveikai įvesta Fermi konstanta⁴⁾ G_F, apytiksliai lygi 10^-5h³/m_p²c. Smulkiosios struktūros konstantos analogu gravitacinei sąveikai yra masės kvadrato santykio su Planko mase⁵⁾ (a_rp=Gm²/hc=0.5(m/m_p)²). Kai kurioms dalelėms priskiria krūvius, neturinčius dinaminės prasmės, būtinus vien tam, kad užtikrintų tam tikro dalelių išlikimą reakcijų metu. Tai įvedamas, pvz., barionų krūvis, laikant, kad bet kurioje reakcijoje barionų ir antibarionų skirtumas yra pastovus.

Sąveikos bozonai (gauge), t.y. dalelės, kurių spinas yra 1, yra silpnosios elektrinės sąveikos nešėjai. Jiems priklauso fotonas (masės neturintis elektromagnetinio lauko kvantas, kuriam eksperimentinis apribojimas my mažesnis už 3*10^-33MeV) ir gana neseniai atrasti tarpiniai bozonai – du turintys krūvius W⁺ ir W^- bei vienas neutralus Z0 (mZ=91,16). Iš jų stabilus yra fotonas, o W ir Z bozonai skyla į leptono-antileptono poras, tačiau jų gyvavimo trukmė nurodoma labai apytiksliai (2-3)10^-25.

Leptonams (nuo gr. leptos - lengvas, smulkus) priklauso elektronas, miuonas, taonas, ir trys neutrinų tipai: elektroninis, miuoninis ir taoninis bei atitinkamos antidalelės. Visi jie yra fermionai su spinu lygiu 1/2. Išskirtinė leptonų savybė – savos struktūros nebuvimas, todėl eksperimentuose laikomi taškinėmis dalelėmis. Vis dar neaišku, ar gali egzistuoti kiti nežinomi leptonai.

Kvarkai (paslaptingos dvasios, paimtos iš Dž. Džoiso „Finegano budynė“, vaizdinys) – ypatingi fermionai, esantys adrionų viduje, kol kas nestebėti savarankiškai. Tačiau jie laikomi eksperimentiškai aptinkamomis esybėmis, pvz., labai greiti elektronai susiduria su jais pralėkdami per hadroną. Įvesti 6-i kvarkai (vadinamieji aromatai): kylantis, kintantis, žavusis, keistasis, viršūninis, gelminis. Tai leidžia nustatyti labai naudingą simetriją tarp kvarkų ir leptonų. Be to, kvarkas randasi vienoje vadinamųjų „spalvinių“ būsenų^p2) (geltona, mėlyna, raudona), tad yra 18 kvarkų ir tiek pat antikvarkų.

Gliuonai (angl. glue - klijai) – masės neturinčios dalelės, jungiančios kvarkus. Tai jie perneša sąveiką tarp kvarkų ir išlaiko tuos hadronų viduje. Turimi 8 gliuonai. Gliuonai ypatingi tuo, kad jų jėgos išnyksta mažais atstumais, tačiau gali būti labai žymios dideliais atstumais.

Hadronai (gr. hadros - sunkus, stiprus) – gausiausia dalelių grupė, į kurią įeina ir bozonai (mezonai), ir fermionai (barionai), stipriai tarpusavyje sąveikaujantys. Visi hadronai turi kvarkinę struktūrą; juos jungiančios jėgos nėra elektrinės prigimties ir netgi elgiasi originaliai – didėja, bandant kvarkus atitraukti dideliais atstumais. Grubiai imant, hadronus galima nupiešti taip: jų gilumoje yra du (mezonas) arba trys (barionas) vadinamieji valentiniai kvarkai, gana silpnai sujungti gliuonų jėgomis. Jie greitai juda hadrono viduje ir galima sakyti, kad jų kinetinė energija viršija potencinę. Tačiau dideliais atstumais (10-13 cm) jėgas smarkiai padidėja ir neišleidžia kvarkų iš kvarkų įkalinimo srities (confinement). Būtent valentinius kvarkus įmanoma pamatyti „peršviečiant“ hadroną greitaisiais elektronais, hadronui suteikiantiems didelį impulsą ir leidžiantiems giliai pažvelgti į hadrono vidų.

Tai primena E. Rezerfordo atradimus 20 a. pradžioje, kai tas panašiu būdu atome apčiuopė branduolį. Taškinės hadronų sudedamosios buvo pavadintos partonais (angl. part - dalis) ir netrukus išsiaiškinta, kad pagal krūvių savybes jos gerai atitinka kvarkus. Valentinius kvarkus-partonus supa mažiau energingi partonai, kurie sudaro virtualų apvalkalą („kailinius“), matyt patys kažkiek apaugdami aplinka („jūra“). Tokios tarpinės būsenos vadinamos virtualiomis dalelėmis, kurios yra labai trumpalaikės ir neturi apibrėžtos masės, tačiau visomis krūvio savybėmis panašios į realius hadronus. Tai tarsi hadronai, kurių „kailiukas“ gerokai apdraskytas ypač tankioje kvarkų-gliuonų terpėje^p3).

Tai tik apytikslis vaizdas – aeronai yra geri slapukai, saugantys savo vidinį pasaulį.

Šiuolaikinė teorija nagrinėja tris fundamentaliųjų jėgų, kuriomis aiškinama materijos sandara ir vystymasis, tipus.

1. Elektrinės silpnosios sąveikos. Dar neseniai žiojome apie elektromagnetines ir silpnąsias jėgas. Pirmoji buvo atsakinga už atomų sandarą ir fotonų išspinduliavimą, o antroji su b-skilimą ir kitus tokio tipo procesus. 7-8 dešimtm. fizikų veikla leido sukurti vieningą elektrinės silpnosios sąveikos teoriją.

Elektrinė silpnoji sąveika remiasi 4-iais bozoniniais laukais ir apima leptonų ir kvarkų lauką. Elementarus sąveikos aktas tarp leptonų ir (arba) kvarkų atrodo kaip vieno iš bozonų apsikeitimas. Toks yra kvantinės lauko teorijos pagrindas.

2. Stipriosios sąveikos. Pereidami į hadronų sritį iškart susiduriame su dviejų lygių problemomis – tarpkvarkinių ir tarphadroninių jėgų tyrinėjimus. Kvantinė chromodinamika, sukurta elektrinio silpnojo modelio pavyzdžiu, stengiasi išvystyti schemą, kurioje visi procesai būtų gerai aprašomi 5-6 kvarkinių ir 8-ių gliuoninių laukų pagalba. Visos tarphadroninės jėgos turi būti išvedamos iš fundamentalesnių tarpkvarkinių, ir visos baltųjų hadronų savybės – iš spalvotų kvarkų ir gliuonų modelio. Tačiau gerai, jei tai taip lengva būtų. Sunkumų esmę galima nusakyti tuo, kad aprašant hadroną (jo atsiradimą, žūtį, kaip visumos sąveiką) tenka naudoti labai didelį (jei ne begalinį) kvarkų ir gliuonų kiekį, kai skirtingų dažnių būsenos yra esminės.

Toji situacija ypač akivaizdžiai pasireiškia daugybiniuose hadronų atsiradimuose esant aukštoms energijoms. Susidūrimuose naujų hadronų atsiradimas apie 4 kartus labiau tikėtinas nei pradinių hadronų išsibarstymas. Tad tarphadroninės sąveikos nepavyksta suvesti į porų sąveikas ne tik hadronų, bet ir kvarkų-gliuonų lygmenyje.

3. Gravitacija. Apie šią sąveiką žinome neįtikėtinai mažai – iš esmės, traukos jėga tarp dviejų dalelių taip niekad ir nestebėta: mat esant nepaprastai mažai reikšmei ji bet kokiu dalelių susidūrimo atveju lengvai užklojama kitomis jėgomis. Tačiau gravitacinis krūvis yra proporcingas ne dalelės masei, o jos pilnai energijai, tad susidūrus Planko pluoštams (apie 10²⁸ eV gravitacija privalo tapti stipria sąveika. Šiuo metu žinome, kad tokios el. dalelės, kaip fotonai ir neutronai, gana pakenčiamai elgiasi stambių kosminių kūnų poveikyje, t.y. pagal klasikinį visuotinės traukos dėsnį.

Šių teorijų fone egzistuoja reiškinys, kurį, matyt, reikia aiškinti ypatinga super-silpna sąveika. Čia kalbama apie neįprastą neutralaus K-mezono skilimą į porą n-mezonų, aptiktą 1964 m. Tai gali būti susieta su stebimos Visatos dalies asimetrija, kurioje materija dominuoja prieš antimateriją.

Be to kvantinėje teorijoje vakuumas turi sudėtingą struktūrą, nes jame nuolat atsiranda ir labai greitai dingsta virtualios dalelės - priklausomai nuo neapibrėžtumo santykiais. Išoriniai laukai (pvz., gravitacinis) vakuumui gali suteikti papildomą energiją, ko pasėkoje pradės rastis el. dalelės, pvz., elektrono-pozitrono poros. Tokie procesai labai svarbūs Visatos pradžios metu ir juodųjų skylių aplinkoje.

Yra klausimų ratas, prie kurių priartėjo el. dalelių fizika, kuriuos išsprendus gali tekti naujai pažvelgti į Visatos struktūrą ir evoliuciją. Daug vilčių siejama su neutrinų tyrimais. Jų ramybės masės patvirtinimas suteiks materijai lemiamą masės pasiskirstymą ir taip perskirstys gravitacinius laukus. Masyvūs neutrinai jau dabar įtakoja stambių struktūrų (galaktikų ir jų spiečių) susidarymą^p4). Daug tikimasi ir iš superkarštų neutrinų tyrinėjimų.

Naujų dalelių paieška nėra vieninteliu tikslu. Daug vilčių dedama į stiprių sąveikų išsiaiškinimą. Strateginiu tikslu yra ir vieningos teorijos sukūrimas.

Ar virtualiosios dalelės tikrai egzistuoja?

Kvantinėje mechanikoje šalia elementariųjų įvestos ir virtualiosios dalelės. Ir jos tikrai egzistuoja, pasižymi stebimais efektais, kurie nustatyti matuojant. Pagal kvantinę teoriją kiekviena dalelė tam tikrą laiko dalį praleidžia būdama įvairiais būdais iš kitokio tipo dalelių sudarytais dariniais. Kvantinėje mechanikoje būtina, kad energijos tvermės dėsnis būtų laikinai pažeistas Todėl viena dalelė gali tapti pora sunkesnių virtualiųjų dalelių, kurios netrukus vėl susijungia į pradinę, tarsi to virsmo nė nebuvo.

Trumpai tapusios mūsų pasaulio dalimi, virtualiosios dalelės gali sąveikauti su kitomis, įprastesnėmis dalelėmis. Tiriant šias sąveikas galima pasitikrinti spėjimus apie virtualiąsias daleles. Pvz., vandenilio atome fotonai suriša neigiamo krūvio elektroną su teigiamai įkrautu protonu. Kiekvienas fotonas dalį laiko turi praleisti kaip virtualusis elektronas ir jo antidalelė – pozitronas. Vandenilio atomas gali būti daugiau nei vienosbūsenos ir vienoje jų atomas sąveikauja su atsiradusia virtualiąja pora kiek kitaip, nei kitose galimamose būsenose. Taigi tos sąveikų būsenos yra kažkiek skirtingos, ką 1947 m. išmatavo Vilisas Liambas⁶⁾, už tai gavęs Nobelio premiją.

Kitas reiškinys susijęs su kvarkais, o tiksliau, su viršutiniuoju kvarku, sunkiausiu iš visų. 20 a. pabaigoje CERN laboratorijoje buvo gauta milijonai Z-bozonų, kurių masė tiksliai išmatuota. Šios matavimų vertės kiek skyrėsi nuo numatytųjų. Tą skirtumą galima paaiškinti tuo, kad dalį laiko Z-bozonas buvo virtualiu viršutiniuoju kvarku, kurio masė kitokia. Po kelių metų viršutiniojo kvarko masė buvo išmatuota Fermi laboratorijoje Ilinojuje. Ir vertės sutapo! Taigi, mūsų supratimas apie virtualiąsias daleles teisingas...

^p1) Dalelių mases galima išreikšti ir gramais bei kilogramais, tačiau tai nelabai patogu. Todėl naudojami specialūs elektrovoltų vienetai (dažniausiai MeV ir GeV), kurių atžvilgiu mc² neturi ypatingai didelių ar mažų daugiklių.

^p2) Tokie pavadinimai kaip aromatas, spalva, žavesys yra grynai meniniai vaizdiniai, absoliučiai neturintys ryšio su kvarkų kvapu ar išvaizda. Meninių vaizdinių laviną galima laikyti tik reakcija į mokslinių tekstų „sausumą“.

^p3) Tai galima paaiškinti eksperimentiškai stebimu reiškiniu – hadronas, praeidamas per didelį atomo branduolį, tik pirmą kartą normaliai sąveikauja su vienu iš nukleonų. Tolimesnės sąveikos staigiai susilpnėją, ką galima sieti su atlėkusio hadrono virtualaus apvalkalo suardymu, kai tasai nespėja jo atstatyti esant mažiems atstumais branduolio viduje.

^p4) Neutrinų vaidmuo ypač svarbus egzotiškoje akiniame-tinkliniame Visatos struktūros modelyje. Pagal jį, pirminiai vientiso fono trikdžiai veda prie vienodų struktūrų pasiskirstymo, kai tos susiliesdamos ir persidengdamos suformuoja milžiniškas „akis“ su santykinai siauromis sienelėmis, kuriose ir susidaro galaktikos. Tamsiose akių srityse materijos tankis gerokai mažesnis už vidutinį, o cheminė sudėtis beveik nesiskiria nuo pirminio vandenilio-helio mišinio, o žvaigždžių susidarymas nevyksta arba labai prislopintas.

¹⁾ Planko konstanta - fizikinė (kvantinės teorijos) konstanta, susiejanti elektromagnetinio spinduliavimo (ir aplamai, bet kurios tiesiškai siūbuojančios sistemos) kvanto energiją su jo dažniu. Yra impulso momentu. Pirmąkart paminėta M. Planko 1900 m. darbe skirtame šiluminei spinduliuotei. Paprastai žymima h.
Jos reikšmė:

Kartais naudojama išvestinė Dirako konstanta:

²⁾ Šatjendranatas Bozė (Satyendra Nath Bose, 1894-1974) – savamokslis indų fizikas iš Bengalijos, didžiausią dėmesį skyręs matematinei fizikai; vienas kvantinės (Bozės-Einšteino) statistikos ir Bozės-Einšteino kondensato teorijos kūrėjų. Buvo vienu Indijos Mokslų akademijos (1935) steigėjų. Išvedė Planko formulę absoliučiai juodo kūno spinduliuojamos energijos pasiskirstymui, laikydamas, kad dvi sistemos būsenos, besiskiriančios vienodų kvantų sukeitimu fazinėje erdvėje, yra tapačios.
Kitos domėjimosi sritys: matematika, chemija, mineralogija, filosofija, menai.

³⁾ Smulkiosios struktūros konstanta (dar vadinama Zomerfeldo konstanta) – fundamentalioji fizikinė konstanta, paprastai žymima a, nusakanti elektromagnetinės sąveikos stiprumą. Ją 1916 m. įvedė A. Zomerfeldas. Ji nusako atomo energetinių sluoksnių dydžio pokytį. Jos reikšmė:

⁴⁾ Fermi konstanta - fizikinė konstanta, apibūdinanti silpnąją sąveiką. Tiksliausias konstantos apibrėžimas gaunamas iš miuono gyvavimo trukmės, kuri atvirkščiai proporcinga G_F:

⁵⁾ Planko masė - masė, matuojama Planko vienetais ir žymima m_P. Ji apytiksliai lygi 0,02 mg (apytiksliai – blusos kiaušinio svoriui). Ji apibrėžiama:

Hipotetinė dalelė, kurios masė lygi Planko masei, vadinama maksimonu.

⁶⁾ Vilisas Lambas ( Willis Eugene Lamb Jr., 1913-2008) – amerikiečių fizikas, Nobelio premijos laureatas (1955) už vandenilio spektro subtiliojo spektro nustatymą. Užsiėmė neutronų sąveika su materija, atomo branduolio lauko teorija, beta skilimo teorija, kosminiu spinduliavimu, dalelės ir antidalelės poros atsiradimu ir pan.