ელემენტარული ნაწილაკი

ელემენტარული ნაწილაკი, ფუნდამენტური ნაწილაკი — ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკაში პირობითი მატერიის უმცირესი ნაწილაკების სახელწოდება, რომლებსაც ცოდნის თანამედროვე დონეზე არ შეიძლება მივაწეროთ გარკვეული შინაგანი სტრუქტურა.

ელემენტარული ნაწილაკების სტანდარტული მოდელი

ნაწილაკები, რომლებიც ამჟამად ელემენტარულად ითვლება, მოიცავს ელექტრონებს, ფუნდამენტურ ფერმიონებს (კვარკები, ლეპტონები, ანტიკვარკები და ანტილეპტონები, რომლებიც ძირითადად მატერიის ნაწილაკები და ანტიმატერიის ნაწილაკები არიან), ასევე ფუნდამენტურ ბოზონებს (გაზომვის ბოზონები და ჰიგსის ბოზონები), რომლებიც ზოგადად არიან ძალისმიერი ნაწილაკები, რომლებიც შუამავლობენ ფერმიონებს შორის ურთიერთქმედებას. ნაწილაკი, რომელიც შეიცავს ორ ან მეტ ელემენტარულ ნაწილაკს, არის კომპოზიტური ნაწილაკი.

ისტორია

ჩვეულებრივი მატერია შედგება ატომებისგან, რომლებიც ოდესღაც ელემენტარულ ნაწილაკებად ითვლებოდა — ატომი, რომელიც მართალია ბერძნულად ნიშნავს „განუყოფელს“, „გაუჭრელს“ — თუმცა ატომის არსებობა საკამათო რჩებოდა დაახლოებით 1905 წლამდე, რადგან ზოგიერთი წამყვანი ფიზიკოსი მოლეკულებს მათემატიკურ ილუზიებად თვლიდა, ხოლო მატერიას, როგორც საბოლოო ჯამში ენერგიის. ატომის სუბატომური კომპონენტები პირველად 1930-იანი წლების დასაწყისში გამოვლინდა; ელექტრონი და პროტონი, ფოტონთან ერთად, ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ნაწილაკი. იმ დროს, კვანტური მექანიკის ბოლოდროინდელმა გამოჩენამ რადიკალურად შეცვალა ნაწილაკების კონცეფცია, რადგან ერთი ნაწილაკი, როგორც ჩანს, ველს აფარებდა ტალღას, პარადოქსი, რომელიც ჯერ კიდევ არ აქვს დამაკმაყოფილებელი ახსნა.

კვანტური თეორიის მეშვეობით, პროტონები და ნეიტრონები შეიცავდნენ კვარკებს — ზედა და ქვედა კვარკებს — ახლა უკვე ელემენტარულ ნაწილაკებად ითვლება და მოლეკულაში ელექტრონის თავისუფლების სამი ხარისხი (მუხტი, სპინი, ორბიტალი) შეიძლება ტალღური ფუნქციის მეშვეობით გაიყოს სამ კვაზინაწილაკად (ჰოლონი, სპინონი და ორბიტონი). მიუხედავად ამისა, თავისუფალი ელექტრონი — ის, რომელიც არ ბრუნავს ატომის ბირთვის გარშემო და, შესაბამისად, მოკლებულია ორბიტალურ მოძრაობას — ჩანს განუყოფელი და რჩება ელემენტარულ ნაწილაკად.

დაახლოებით 1980 წელს, ელემენტარული ნაწილაკის სტატუსი, როგორც მართლაც ელემენტარული — ნივთიერების საბოლოო შემადგენელი — ძირითადად უგულებელყოფილი იყო უფრო პრაქტიკული ხედვისთვის, განსახიერებული ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტულ მოდელში, რაც ცნობილია, როგორც მეცნიერების ყველაზე ექსპერიმენტულად წარმატებული თეორია. სტანდარტული მოდელის მიღმა მუშავდება მრავალი თეორია, მათ შორის სუპერსიმეტრია, რაც აორმაგებს ელემენტარული ნაწილაკების რაოდენობას ჰიპოთეზის მიხედვით, რომ თითოეული ცნობილი ნაწილაკი ასოცირდება „ჩრდილოვანი“ პარტნიორთან ბევრად უფრო მასიურთან, თუმცა ყველა ასეთი სუპერპარტნიორი რჩება აღმოუჩენელი. იმავდროულად, გრავიტაციის შუამავალი ელემენტარული ბოზონი — გრავიტონი — ჰიპოთეტური რჩება. ასევე, ზოგიერთი ჰიპოთეზის მიხედვით, სივრცე-დრო არის კვანტიზებული, ამიტომ ამ ჰიპოთეზებში, სავარაუდოდ, არსებობენ თავად სივრცისა და დროის „ატომები“.

ელემენტარული ნაწილაკის ერთ-ერთი თავისებურებაა ანიჰილაციისა და ნაწილაკ-ანტინაწილაკის წყვილის წარმოქმნა. რაც მაღალია დაჯახებული ნაწილაკების ენერგია, მით უფრო ძლიერად ვლინდება ეს თვისება. მაღალი ენერგიების ელემენტარული ნაწილაკების ბუნებრივი წყაროა კოსმოსური სხივები. სწორედ კოსმოსურ სხივებში აღმოაჩნეს ლეპტონების, მეზონებისა და ბარიონების უმრავლესობა. მაგრამ ელემენტარული ნაწილაკების ურთიერთქმედების სპეციფიკისა და მათი თვისებების საკმაო სისრულით გამოკვლევის საშუალებას იძლევა მხოლოდ დამუხტულ ნაწილაკთა ამჩქარებლებში ნაწილაკთა ინტენსიური ნაკადების აჩქარება ზემაღალ ენერგიამდე.

სტანდარტული მოდელი

დღესდღეობით მიღებულია, რომ სტანდარტული მოდელი იყოფა ორ ძირითად ნაწილად: ფერმიონებად და ბოზონებად.

ფერმიონები, ესაა სამყაროს სამშენებლო ბლოკები. სწორედ მათი ურთიერთშეხვედრით წარმოიქმნება ყველა ობიექტი — მატერია, ხოლო ბაზონები ესაა ძირითადი ძალისმიერი ნაწილაკები, მათი ფუნქციაა აკონტროლონ თუ სად და როგორ უნდა იმოქმედონ სამყაროს ძალებმა.

ფერმიონები იყოფიან ორ კატეგორიად: კვარკებად და ლეპტონებად. თითოეული მათგანი თავის მხრივ იყოფა 6 ტიპად. მათ შორის სხვაობა ისაა, რომ კვარკებზე მოქმედებს ძალა, ხოლო ლეპტონებზე არა. ბაზონი ესაა ძალის ნაწილაკი. მასში შედი გრავიტონი, ფოტონი, გლუონი და ბაზონი.

სამყაროში არსებობს ოთხი ფუნდამენტური ურთიერთქმედება: ელექტრომაგნიტური ძალა, ძლიერი ურთიერთქმედება, სუსტი ურთიერთქმედება და გრავიტაცია.

გრავიტონი ითვლება გრავიტაციის გადამტან ჰიპოტეტურ ნაწილაკად, თუმცა აღნიშნული ნაწილაკის არსებობის დამადასტურებელი ცნობა ჯერ არ არსებობს. მეცნიერები თვლიან, რომ აღნიშნული ნაწილაკი უნდა არსებობდეს.

ფოტონს გადააქვს მაგნიტური ენერგია, ხოლო გლუონებს გადააქვთ ძლიერი ურთიერთქმედება აკავშირებენ რა ერთმანეთთან პროტონებსა და ნეიტრონებს. ბოზონები პასუხისმგებელი არიან სუსტი ურთიერთქმედების ძალებზე. აღნიშნულ ბაზონებში თავს იჩენს აგრეთვე ჰიქსის ბაზონი.

ეს კლასები გამოირჩევიან კვანტური სტატისტიკით: ფერმიონები ემორჩილებიან ფერმი-დირაკის სტატისტიკას და ბოზონები ემორჩილებიან ბოზე-აინშტაინის სტატისტიკას. მათი სპინი დიფერენცირებულია სპინი–სტატისტიკური თეორემის მიხედვით: ფერმიონებისთვის ის ნახევრად მთელი რიცხვია, ბოზონებისთვის კი მთელი რიცხვი.

ელემენტარული ნაწილაკები

ფერმიონებიმთელნახევარი სპინითემორჩილება ფერმი-დირაკის სტატისტიკას

ბოზონებიმთელი სპინითემორჩილება ბოზე-აინშტაინის სტატისტიკას

კვარკები და ანტიკვარკებისპინი = 1/2ახასიათებს ფერის ცვლილებამონაწილეობს ძლიერ ურთიერთქმედებებში

ლეპტონები და ანტილეპტონებისპინი = 1/2უცვლელი ფერისუსტი ელექტონული ურთიერთქმედება

საზომი ბოზონებისპინი = 1, 2 [‡] ძალის მატარებლები

სკალარული ბოზონებისპინი = 0

სამი თაობა U-კვარკი (u), D-კვარკი (d) C-კვარკი (c), S-კვარკი (s) T-კვარკი (t), B-კვარკი (b)

სამი თაობა ელექტრონი ($e^{-}$), [†] ელექტრონული ნეიტრინო (${\text{ν}}_{e}$) მიუონი ($\mu ^{-}$), მიუონის ნეიტრინო (${\text{ν}}_{\mu }$) ტაონი ($\tau ^{-}$), ტაონის ნეიტრინო (${\text{ν}}_{\tau }$)

ოთხი შვილი ფოტონი ($\gamma$; ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება) W და Z ბოზონები ($W^{+}$, $W^{-}$, $Z$; სუსტი ურთიერთქმედება) გლუონის რვა ტიპი ($g$; ძლიერი ურთიერთქმედება) გრავიტონი (ჰიპოთეტური) ($G$; გრავიტაცია) [‡]

ერთადერთი ჰიგსის ბოზონი ($H^{0}$)

შენიშვნა:
[†] ანტიელექტრონს ($e^{+}$) პირობითად „პოზიტრონი“ ეწოდება.
[‡] ცნობილ ძალის მატარებელ ბოზონების სპინი = 1 და ამიტომ არიან ვექტორული ბოზონები. ჰიპოთეტური გრავიტონის სპინი = 2 და არის ტენზორული ბოზონი; უცნობია არის თუ არა ის ლიანდაგი ბოზონიც.

სტანდარტულ მოდელში ელემენტარული ნაწილაკები წარმოდგენილია პროგნოზირების მიზნით, როგორც წერტილოვანი ნაწილაკები. მიუხედავად იმისა, რომ ძალიან წარმატებულია, სტანდარტული მოდელი შეზღუდულია გრავიტაციის გამოტოვებით და აქვს რამდენიმე პარამეტრი თვითნებურად დამატებული, მაგრამ აუხსნელი.

ცნობილ ელემენტარული ნაწილაკებს ჰყოფენ ფოტონებად (γ) და 2 ძირითად კლასად: ლეპტონებად და ჰადრონებად. ლეპტონების კლასი შეიცავს ელექტრონს ($e^{-}$), მიუონს ($\mu ^{-}$), ტაონს ($\tau$), ნეიტრინოს 3 ტიპს (${\text{ν}}_{e}$), (${\text{ν}}_{\mu }$), (${\text{ν}}_{\tau }$) და მათ ანტინაწილაკებს. ჰადრონები კი, თავის მხრივ, იყოფიან 3 ჯგუფად: მეზონებად ($\pi$-, $K$-, $\nu$- მეზონები), ბარიონებად და ანტიბარიონებად (ნუკლონები, $\Lambda$-, $\Sigma$-, $\Xi$-, $\Omega$- ჰიპერონები და მათი ანტინაწილაკები) და რეზონანსებად — ხანმოკლედ მცხოვრებ ნაწილაკებად, რომლებიც წარმოიქმნებიან მაღალი ენერგიის მეზონებისა და ბარიონების ურთიერთდაჯახების დროს.

ლიტერატურა

• ჩქარეული ჯ., ქართული საბჭოთა ენციკლოპედია, ტ. 4, თბ., 1979. — გვ. 87.