Տարրական մասնիկներ

Տարրական մասնիկներ, ըստ տերմինի ճշգրիտ նշանակության՝ սկզբնային, անբաժանելի, ներքին կառուցվածք չունեցող մասնիկներ, որոնցից կազմված է ամբողջ մատերիան։

Արդի ֆիզիկայում տարրական մասնիկներ հասկացությունը երկակի իմաստ ունի։ Մի կողմից, այդ ընդհանուր անվանումը միավորում է ատոմների և ատոմային միջուկների կազմի մեջ մտնող մասնիկները (էլեկտրոն, պրոտոն, նեյտրոն), հատկություններով դրանց մոտ մի շարք այլ մասնիկների հետ։ Մյուս կողմից, քանի որ տարրական մասնիկների մեծամասնությունը (այդ թվում նաև պրոտոնը և նեյտրոնը) ունի ներքին կառուցվածք, իմաստ ունի նրանցից առանձնացնել «իսկական» (օրինակ, էլեկտրոնը), որոնց բաղադրիչ մասերի առկայությունը փորձով դեռես չի հայտնաբերվել։ Այս իմաստով մասնիկների տարրական լինելը հարաբերական հասկացություն է և արտացոլում է փոքր հեռավորությունների՝ փորձով հասանելի այն սահմանը (ներկայումս մոտ 1016 սմ), մինչև որը նշված մասնիկները ներքին կառուցվածք չեն դրսևորում։ Տարրական մասնիկներ հասկացությունը պատմականորեն ծագել է հին աշխարհի փիլիսոփաների այն պատկերացումներից, որոնց համաձայն մանրագույն անբաժանելի մասնիկների՝ «ատոմների» տարբեր զուգակցումներն են որոշում նյութի դիտվող հատկությունների բազմազանությունը։ Նյութի կառուցվածքի ատոմամոլեկուլային տեսության զարգացումը հանգեցրել է նրան, որ արդեն XIX դ․ վերջին տարրական մասնիկներ հասկացությունը ձեռք է բերել մոլեկուլների և ատոմների բաղադրիչ մասերի ավելի կոնկրետ իմաստ։ 1897 թվականին Ջ․ Զ․ Թոմսոնը փորձով հայտնաբերել է այդ մասնիկներից մեկը՝ Էլեկտրոնը։ Տարրական մասնիկների ֆիզիկայի ձևավորմանն էապես նպաստել են ռադիոակտիվության հայտնագ ործումն ու ուսումնասիրումը և, հատկապես, է․ Ռեզերֆորդի փորձերը, որոնց շնորհիվ 1911 թվականին հայտնագործվել են ատոմային միջուկները, իսկ 1919 թվականին բացահայտվել է, որ պրոտոնները մտնում են միջուկների կազմի մեջ։ 1932 թվականին, երբ Զ․ Չադվիկը հայտնաբերեց նեյտրոնը, պարզ դարձավ ատոմների և դրանց միջուկների բաղադրիչների լրիվ կազմը։ Տարրական մասնիկների ֆիզիկայի հետագա զարգացումն արդեն հիմնականում ընթացել է միջուկային ֆիզիկայից անկախ, նախ՝ տիեզերական ճառագայթման ուսումնասիրման ճանապարհով (1930—1950-ական թթ․)» իսկ հետո, 50-ական թվականներից սկսած, երբ գործարկվեցին առաջին խոշոր արագացուցիչները, փորձերը շարունակվել են նաև լաբորատոր պայմաններում։ Այդ փորձերում գրանցվել են մի շարք նոր մասնիկներ՝ տարբեր զանգվածներով, կյանքի տևողություններով, տրոհման և նյութի հետ փոխազդեցության տարբեր եղանակներով։ Անհնար կլիներ հասկանալ այդ մասնիկների հատկությունները, եթե չլիներ այն վիթխարի առաջընթացը, որին հասել էր տեսական ֆիզիկան մեր հարյուրամյակի կեսերին։ Քվանտային մեխանիկան, հարաբերականության տեսությունը և դաշտի քվանտային տեսությունը տվել են այն լեզուն, որով հնարավոր եղավ նկարագրել փոքր հեռավորությունների վրա և լույսի արագությանը մոտ արագություններով կատարվող ֆիզիկական երևույթները։ Որոշ մասնիկների գոյությունն, իսկ հետևում է քվանտային տեսության սկզբունքներից։ Այսպես, էլեկտրամագնիսական ճառագայթման քվանտային տեսությանը նվիրված առաջին աշխատանքներում արդեն (Մ․ Պչանկ, 1900, Ալբերտ էյնշտեյն, 1903) որոշակիորեն կանխագուշակվել էր էլեկտրամագնիսական դաշտի քվանտի՝ ֆոտոնի գոյությունը։ էլեկտրոնի քվանտային տեսությունից (Պ․ Դիրակ, 1928—1931) բխել է էլեկտրոնի հակամասնիկի՝ պոզիտրոնի (e+) գոյությունը՝ մասնիկ, որը հայտնաբերվել է տիեզերական ճառագայթներում (Կ․ Աևդերսոն, 1932)։ Տարրական մասնիկների քվանտային բնույթը դրսևորվում է նրանով, որ այդ մասնիկներից յուրաքանչյուրն ունի հանգստի զանգվածի, շարժման քանակի սեփական մոմենտի (սպին), էլեկտրական լիցքի որոշակի ընդհատուն արժեք։ Տարրական մասնիկների մասնակցությամբ ընթացող բոլոր պրոցեսներում պահպանվում են էներգիան, իմպուլսը և շարժման քանակի մոմենտը, մի բան, որ արտացոլում է տարածության և ժամանակի համասեռությունն ու իզոտրոպությունը փոքր հեռավորությունների վրա։ Վերլուծելով β-տրոհման երևույթը էներգիայի և իմպուլսի պահպանման օրենքի տեսանկյունից, Վոլֆգանգ Պաուլին 1930 թվականին ենթադրել է, որ այդ տրոհման արգասիքներում գոյություն ունի մի յուրօրինակ մասնիկ ևս՝ նեյտրինո (v)։ Վերջինիս հայտնաբերման փորձարարական տարբեր մեթոդներ են առաջարկել Հ․ Բետեն ու Ռ․ Փայերլսը, ինչպես նաև խորհրդային ֆիզիկոսներ Ա․ Ի․ Լեյպունսկին, Ա․ Ի․ Ալիխանովն ու Ա․ Ի. Ալիխանյանը (1938)։ Այդպիսի փորձեր կատարել է ամերիկացի փորձարար Ջ․ Ալլենը, 1942 թվականին, սակայն նեյտրինոյի չափազանց թույլ փոխազդեցությունը նյութի հետ դիտվել է միայն 1953 թվականին (Ֆ․ Ռայնես, Կ․ Կոուեն, ԱՄՆ)։ Տարրական մասնիկների փոխազդեցությունները դրսևորվում են նրանց փոխադարձ կլանման և առաքման, ցրման կամ տրոհման պրոցեսներում։ Փոխազդեցությունների առաջին քվանտային տեսությունը եղել է քվանտային էլեկտրադինամիկան՝ էլեկտրամագնիսական փոխադզեցության տեսությունը, որը դեռևս 1920-ական թթ․ ձևակերպել է Պ․ Դիրակը, իսկ վերջնականորեն մշակել են Ռ․ Ֆեյնմանը, Ցու․ Շվինգերը և Ս․ Տոմոնագան, 40—50-ական թթ․։ Այն նախատիպ է ծառայել տարրական մասնիկների մյուս՝ ուժեղ և թույլ փոխազդեցությունների տեսական նկարագրման համար։ Պրոտոնի չափերի կարգի (10~13 սմ) հեռավորությունների վրա ուժեղ, էլեկտրամագնիսական և թույլ փոխազդեցությունների ինտենսիվությունները հարաբերում են ինչպես 1։102։ 105։ Ուժեղ փոխազդեցության դրսևորում են, օրինակ, այն ուժերը, որոնք պահում են պրոտոնները և նեյտրոնները միջուկի ներսում։ Թույլ փոխազդեցության օրինակ են β-տրոհումը կամ տիեզերական ճառագայթներում հայտնաբերված (Կ․ Անդերսոն, Մ․ Նեդերմեյեր, 1936 տրոհումը։ էլեկտրոնի և նեյտրինոյի նման, մյուոնը ուժեղ չի փոխազդում, այսինքն պատկանում է չեպտոնների դասին։ Թույլ փոխազդեցությունների սկզբնական տեսությունը, որն ստեղծել է է․ Ֆերմին, 1934 թվականին, հնարավորություն է տվել նկարագրելու ոչ միայն 13 և (i-տրոհումները, այլև տարրական մասնիկների ուրիշ թույլ տրոհումներ։

Ուժեղ փոխազդեցության (միջուկային ուժերի) առաջին տեսությունը, որն առաջարկել է Հ․ Յուկավան, 1935 թվականին, կանխագուշակել է մեզոնների գոյությունը, որոնք այդ տեսության մեջ միջուկային ուժերի քվանտների դեր են կատարել, էլեկտրամագնիսական դաշտի քվանտների՝ ֆոտոնների նման։ Մեզոնների գոյության վերաբերյալ առաջին տեղեկություններն ստացվել են Արագածի տիեզերական ճառագայթների հետազոտման կայանում Ա․ Ի․ Ալիխանովի և Ա․ Ի․ Ալիխանյանի կատարած փորձերից։1947 թվականին, երբ Ս․ Պաուեչը հայտնագործեց մեզոնը, վերջնականապես հաստատվեց մեզոնների գոյությունը։ 50—60-ական թթ․ և 70-ական թթ․ սկզբին արագացուցիչներով կատարած փորձերն էապես հարստացրել են ուժեղ փոխազդող տարրական մասնիկների՝ հադրոնների ցուցակը։ Հայտնաբերվել են տարօրինակ մասնիկները, ինչպես նաև մեծ թվով անկայուն հադրոններ՝ ռեզոնանսային մասնիկները։ Նշված մասնիկների դասակարգումը, դրանց միավորումը մինչ այդ հայտնի պրոտոնների, նեյտրոնների և л-մեզոնների հետ որոշակի խմբերի մեջ՝ հնարավոր են դարձել հադրոնների ներքին, դինամիկ սիմետրիաների տեսության (իզոտոպ սպինի տեսություն՝ Վ․ Հայզենբերգ, 1932, այնուհետև ավելի ընդհանուր՝ ունիտար սիմետրիայի տեսություն՝ Մ․ Գեչ-Ման և Յու․ Նեեման, 1962) զարգացման շնորհիվ։ Այդ զարգացումը բնականորեն հանգեցրել է քվարկների՝ հադրոնային նյութի կառուցվածքային տարրերի մոդելի մշակմանը (Մ․ Դել-Ման, Զ․ Ցվայգ, 1964)։ Քվարկներն ունեն 1/2 սպին և կոտորակային էլեկտրական լիցք (տարրական էլեկտրական լիցքի միավորներով)։ Ըստ քվարկային մոդելի, կիսաամբողջ սպին ունեցող բոլոր հադրոնները՝ բարիոնները, կազմված են երեք քվարկից, իսկ ամբողջ սպին ունեցողները՝ մեզոնները, քվարկից և հակաքվարկից։ Այն տարիներին հայտնի բոլոր հադրոնների բնութագրերը լիովին կարելի էր վերարտադրել երեք տիպի քվարկների (ս, d, s) միջոցով, որոնք ունեն, համապատասխանաբար, +2/3, —1/3, —1/3 լիցքեր։ 50-ական թթ․ և 60-ական թթ․ 1-ին կեսին էական փորձարարական արդյունքներ են ստացվել նաև ~1013 սմ կարգի հեռավորությունների տիրույթում բարձր էներգիայի մասնիկների ուժեղ փոխազդեցության վերաբերյալ։ Զարգացվել է ցրման մատրիցի հասկացության (Վ․ Հայզենբերգ, 1943) վրա հիմնված ֆենոմենոլոգիական տեսություն, որտեղ այդ մեծությունը հանդես է գալիս որպես էներգիայի և հաղորդված ինպուլսի կոմպլեքս ֆունկցիա (Մ․ Գոլդբերգեր, Ս․ Մանդելստամ, Տ․ Ռեշե, Ն․ Ն․ Րոգոլյուբով, Ի․ Ցա․ Պոմերանչուկ, Վ. Ն․ Դրիբով)։ Թույլ փոխազդեցությունների ֆիզիկայի բնագավառում այդ շրջանի ամենախոշոր նվաճումը եղել է թույլ տրոհման պրոցեսներում տարածական զույգության խախտման կանխագուշակումը (Լի Ցզունդաո և Ցանգ Չժեննին, 1956) և հայտնաբերումը (Ց․ Վու, ԱՄՆ, 1957)։ Հաստատվել է թույլ փոխազդեցության տարածաժամանակային կառուցվածքը (Ռ․ Ֆեյնման, Մ․ Դել-Ման, 1958) և, վերջապես, փորձով հայտնաբերվել է համակցված զույգության (հասկացություն, որ առաջարկել են Լ․ Դ․ Լանդաուն և Ա․ Սաչամը) պահպանման օրենքի թույլ խախտումը (Վ․ Ֆիտչ, Զ․ Քրոնին, Ա․ Աբաջյան, ԱՄՆ, 1964)։ Տարրական մասնիկների ֆիզիկայի զարգացման նշանակալից փուլ են կազմել պրոտոնի և նեյտրոնի կառուցվածքի հետազոտությունները, որոնք սկսվել են Սթանֆորդի (ԱՄՆ) էլեկարոնային արագացուցիչում 60-ականների վրա։ Քվարկները և գլյուոնները փոխազդում են այնպես, որ այդ մասնիկները գոյություն ունեն միայն հադրոնների ներսում ու ազատ վիճակում հանդես չեն գալիս։ Մյուս կողմից, փոքր հեռավորությունների վրա քվարկ-գլյուոնային ուժերը նվազում են, և դիտվում է հադրոնների փարթոնային կառուցվածքը։ 70-ական թթ․ ընթացքում քվանտային քրոմադինամիկան բազմակողմանի ստուգման է ենթարկվել տարբեր փորձերում, մասնավորապես, հանդիպական էլեկտրոնպոզիտրոնային փնջերով նոր արագացուցիչ-կուտակիչներով (Սթանֆորդ, ԱՄՆ, Համբուրգ, ԳՖՀ, Նովոսիբիրսկ, ԽՍՀՄ) կատարված հետազոտություններում։ Այդ տեսության հաստատման համար հատկապես էական է եղել ծանր հադրոնների (J/փ, D, Г, B մեզոններ, Лс-բարիոն) հայտնաբերումը (Ս․ Թինգ, Բ․ Ռիիսռեր, է․ Լեդերման, ԱՄՆ)։ Դրանց կազմի մեջ մտնում են նոր տեսակի երկու ծանր քվարկներ՝ с և b (+2/3 և —1/3 լիցքերով), որոնք ունեն ֆիզիկական նոր հատկություններ՝ «հմայք» և «հրապույր»։ Պակաս կարևոր չի եղել նաև էլեկտրոն-պոզիտրոնային անիհիլացման պրոցեսներում հադրոնների այնպիսի խմբերի դիտումը, որոնք կրում են կարճ հեռավորությունների վրա առաջացած քվարկի կամ գլյուոնի էներգիան և իմպուլսը (այսպես կոչված, քվարկային և գլյուոնային ցայտեր)։ Քվանտային քրոմադինամիկան, այսպես կոչված, դաշտի տրամաչափային տեսության օրինակ է։ Նման տեսություններում փոխազդեցությունը ծագում է բնական ձևով, որպես սկզբնական չփոխազդող մասնիկների ներքին սիմետրիայի արդյունք։ 1967 թվականին Ս․ Վայնբերգը, Ա․ Սալամը և Շ․ Դլեշոուն ցույց են տվել, որ էլեկտրամագնիսական և թույլ ուժերը նույնպես ծագում են միասնական տրամաչափային փոխազդեցությունից։ Ըստ այդ տեսության, թույլ փոխազդեցության կրողները 1 սպին ունեցող երկու տեսակի մասնիկներ են՝ W+ և Z0 (միջանկյալ վեկտորային բոզոններ), որոնք սկզբնական ներքին սիմետրիայի շնորհիվ միավորվում են ֆոտոնի հետ։ Էլեկտրամագնիսական և թույլ ուժերի դիտվող տարբերության պատճառը այդ սիմետրիայի ուժեղ խախտումն է, որի հետևանքով W, Z-բոզոնների զանգվածը հավասար է համարյա 100 պրոտոնի զանգվածի, մինչ դեռ ֆոտոնն ունի զրոյական զանգված։ Դիտվող թույլ տրոհումները, օրինակ, P-կամ ц-տրոհումը, որոնց դեպքում էներգիայի անջատումը զգալիորեն փոքր է միջանկյալ W-բոզոնի զանգվածից, տեղի են ունենում այդ մասնիկի վիրտուալ ծնման շնորհիվ։ Z-բոզոնների փոխանակումը հանգեցնում է թույլ փոխազդեցության մի նոր տեսակի, այսպես կոչված, չեզոք հոսանքների։ 70-ական թթ․ հայտնաբերվել են չեզոք հոսանքներով պայմանավորված տարբեր երևույթներ, որոնք հաստատել են միասնական էլեկտրաթույլ փոխազդեցության տեսությունը։ Վերջապես, 1982—1983 թվականներին աշխարհի խոշորագույն պրոտոն-հակապրոտոնային արագացուցիչում (ՑԵՌՆ, Շվեյցարիա) հաջողվել է գրանցել W, Z-բոզոնների ծնման առաջին դեպքերը և չափել նրանց զանգվածները։ Այսպիսով, տարրական մասնիկների վերաբերյալ ունեցած փորձարարական ամբողջ ինֆորմացիան, որն արտացոլում է մեր գիտելիքները 10~~1Տ—10~16 սմ հեռավորությունների տիրույթում կատարվող ֆիզիկական երևութների մասին, նկարագրվում է, այսպես կոչված, «ստանդարտ» տեսության՝ քվանտային քրոմադինամիկայի և էլեկտրաթույլ փոխազդեցության տեսության զուգակցման միջոցով։ Ժամանակակից իմաստով «իսկական» տարրական մասնիկներ են լեպտոնները և քվարկները, ինչպես նաև դրանց փոխազդեցությունների կրողները՝ ֆոտոնը, միջանկյալ բոզոնները և գլյուոնները։ Լեպտոնների և քվարկների միջև կա որոշակի համապատասխանություն․ նրանք խմբավորվում են միանման լիցքային կազմ ունեցող «ընտանիքներում» (երկու լեպտոն + երկու քվարկ)։ Այդպիսի երկու լրացված ընտանիքների՝ (ս, d, ve, e),t(с, s, v^, |i), գոյությունը մի կողմից և b-քվարկի (ավելի ճիշտ՝ այդ քվարկը պարունակող հադրոնների), ինչպես նաև t-լեպտոնի ու Vt-նեյտրինոյի հայտնաբերումը (Մ․ Պեռլ, ԱՄՆ, 1976) մյուս կողմից, պահանջում են երրորդ ընտանիքի (է, b, vT, x) լրացման համար անհրաժեշւո՝ +2/3 լիցքով է քվավկի գոյությունը։ Սակայն է-քվարկ պարունակող հադրոնների որոնման փորձերն առայժմ հաջողությամբ չեն պսակվել։ Տարրական քվարկների և լեպտոնների համեմատաբար մեծ թիվռ․ նրանց հատկությունների նմանությունը բնականաբար վարկած են առաջացնում այն մասին, որ իրենք՝ այդ մասնիկները, նույնպես պետք է կազմված լինեն Էլ ավելի սկզբնային տարրական մասնիկներից։ Տեսական հետազոտությունները այդ հարցի պատասխանը փորձում են կանխագուշակել բնության բոլոր փոխազդեցությունների միասնական տեսության ստեղծման ճանապարհով։ Վերջնական պատասխանը կտան ապագայի արագացուցիչներով կատարվելիք փորձերը։ Փորձարարների ուշադրության կենտրոնում կլինեն նոր մասնիկների որոնումները և քվարկների ու լեպտոնների կառուցվածքի հետազոտությունները գերկարճ հեռավորությունների վրա՝ նրանց տարրականությունը ստուգելու նպատակով։

Խորհրդային Հայաստանում տարրական մասնիկների հետազոտություններն սկսվել են դեռես 1943-ին, երբ Ա․ Ի․ Ալիխանով և Ա․ Ի․ Ալիխանյան եղբայրները կազմակերպեցին տիեզերական ճառագայթների ուսումնասիրմանը նվիրված գիտարշավը Արագած լեռան վրա և հիմնադրեցին Երևանի ֆիզիկայի ինստիտուտը։ Ներկայումս ինստիտուտում գործում են խորհրդային Միության ամենախոշոր էլեկտրոնային արագացուցիչը, տիեզերական ճառագայթների հետազոտման կայանը (Արագած լեռան վրա)։ Հայ ֆիզիկոսները կատարում են տեսական և փորձարարական ակտիվ հետազոտություններ, սերտորեն համագործակցելով բարձր էներգիաների ֆիզիկայի ԽՍՀՄ (Մոսկվա, Դուբնա, Սերպուխով, Նովոսիբիրսկ, Խարկով) և արտասահմանյան [Է․ Ֆերմիի անվան լաբորատորիա, Սթանֆորդի կենտրոն (ԱՄՆ), ՑԵՌՆ (Շվեյցարիա)] խոշորագույն կենտրոնների գիտնականների հետ։ Տրամաչափային դաշտերի տեսության, տարրական մասնիկների ֆոտոծնման, տիեզերական ճառագայթների միջուկային փոխազդեցությունների վերաբերյալ Հայաստանում ստացված գիտական արդյունքները լայնորեն հայտնի են աշխարհի ֆիզիկոսներին։

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից  (հ․ 11, էջ 622)։