3. Элементар бөлшектер классификациясы

19 ғ. аяғына дейін элементар бөлшектер рөлін атомдар атқарды. Бірақ, олардың санының көптігі олардың қарапайымдығына күмән келтірді.

1985 ж. Проут барлық элементтердің атомдары сутегі атомдарынан тұруы керек деп болжамдады. Бұл болжам 19ғ. аяғы мен 20ғ. басында тәжірибелер жүзінде расталды.

Элементар бөлшектердің алғашқылары – электрон, протон және фотон.

Атом құрамына кіретін бірінші элементар бөлшекті 1895ж. ағылшын ғалымы Томсон ашты. Ол өзі зерттеген катод сәулелерінің электр заряды теріс, массасы сутегі атомының массасынан 1840 есе кем бөлшектер ағынын анықтады. Элементар бөлшек атағы оған тек 1911ж. Милликен оның заряды мен массасын анықтаған соң ғана берілді. Бұл электрон - заряды е=1,6*10^-19 Кл, массасы 9,1*10^-31 кг тең жеңіл бөлшек . Қасиеті-спин, электрон спині -h/2 тең.

Элементар бөлшектер қатарына 1900ж. Планк абсолют қара дененің нұрлану спектрін түсіндіру үшін ұсынған фотонды да жатқызады. Жоғары энергиялы фотондарды рентген, гамма-кванттар деп те атайды. Фотонға тән қасиеттер-оның массасы 0-ге тең, ол жарық жылдамдығынан төмен жылдамдықпен қозғала алмайды, массасының жоқтығына қарамастан оған энергия мен импульс тән.

1919ж. Резерфорд азот ядроларын жоғары энергиялы альфа-бөлшектермен атқылау кезінде, азот ядроларының электр заряды +е, массасы сутегінің жеңіл изотопының атомының массасына тең бөлшек шығарып, ыдырайтынын бақылады. Басқа да тәжірибелерден , жоғары энергиялы альфа-бөлшектермен атқылағанда, сутегі ядросын шығарып ыдырайтынын анықтады. Сөйтіп, барлық ядролардың құрамында ең қарапайым ядро-протон болатынын анықтаған. Протонның қасиеттер-бариондық заряды В=1, изотоптық спині τ=1/2, массасы m_p =1,007276 м.а.б., электр заряды q=+e, спині s=1/2.

1930ж. Боте мен Беккер, 1932ж. ерлі-зайыпты Жолио-Кюрилер мен Чэдвик жоғары энергиялы альфа-бөлшектермен атқыланған кейбір жеңіл элементтердің(Li,Be), протондардың орнына затта нашар жұтылатын нұр шығарып ыдырайтынын бақылады. Чэдвик бұл тәжірибені энергия мен импульстің сақталу заңына сүйеніп талдап, бұл нұрдың массасы протон массасына тең дерлік, электр бейтарап бөлшектер ағыны екенін көрсетті. Сөйтіп, нейтрон ашылды. Нейтрон протоннан сәл ауыр m_n =1,008662 м.а.б. , оның бариондық заряды В=1, изотоптық спині τ=1/2, спині s=1/2. Нейтрон электрон мен протондай емес, ол орнықсыз(стабильді емес), қазіргі кезде еркін нейтронның 15 минуттай ғана өмір сүре алатындығы белгілі, содан кейін ол электронға, протонға және антинейтриноға ыдырап кетеді.

Бөлшектерді сұрыптаудың бір жолы – олардың өзара әрекеттесулеріне сүйенеді, себебі бөлшектердің бәрі бірдей барлық 4 әрекеттесуге қатыса бермейді.

1. Фотон тек электромагниттік әсерлесуге ғана қатысады, сондықтан оның бір өзі жеке класс құрады.

2.Лептондар – пәрменді (күшті) әрекеттесуге қатыспайтын, бірақ әлсіз әрекеттесуге қатысатын бөлшектер(олар сонымен қатар бұдан да гөрі әлсізірек гравитациялық әрекеттесулерге де қатысады). Зарядталған лептондар электромагниттік әрекеттесулерге де қатысады. Жақсы белгілі 4 лептондар қатарына электрон, мюон және нейтриноның екі түрі – V_e электрондық нейтрино және V_μ мюондық нейтрино кіреді. Әрбір 4 лептонның да антибөлшектрі бар. Тағы бір лептонның τ-лептонның және оның V_τ нейтриносының ашылуының арқасында лептондардың жалпы саны 6-ға жетті. Барлық лептондарға бірдей қасиет олардың спиндері h/2, демек барлық лептондар – фермиондар. Электр зарядының мәніне қарай лептондарды жоғарғы және төменгі деп жіктейді. Жоғарғы лептондардың барлығының электр зарядтары 0-ге тең, ал төменгілерінікі -1-ге тең.

• Электрон тұңғыш ашылған элементар бөлшек және Әлемді құрайтын заттардың құрамына кіретін жалғыз лептон. Оның массасы m_e =9,11*10-¹⁸кг, электр заряды -1,6*10^-19Кл. Электрон қатысатын ең күшті іргелі әсерлесу электромагниттік әсерлесу. Электрон-фермион, оған 1/2h спин тән.

• Нейтринолар барлық лептондар сияқты фермиондар. Олардың спиндері 1/2. Нейтринолардың электр зарядтары 0-ге тең, олар электр бейтарап бөлшектер. Оларға лептондық зарядтар тән. Нейтрино жалғыз электромагниттік әсерлесуге де, күшті әсерлесуге де ұшырамайтын бөлшек. Сондықтан, ол нәзік әсерлесу заңдылықтарын зерртеуде өте қажет.

• Мюондар өмір сүру уақыты τ_μ =2,2*10^-6с, спині s_μ=h/2, массасы электрон массасынан 207 еседей артық, орнықсыз бөлшек. Олар нәзік әсерлесу салдарынан:

μ ⁺ --->e ⁺ + V_e +V_μ μ ^- --->e ^- + V_e +V_μ

схемасымен ыдырайды. Осы ыдыраулар мюондардың вакуумдағы өмірінің ұзақтығын анықтайды.

• τ-лептон – орнықсыз бөлшек, яғни ол, мәселен, электронға(және тағы екі нейтриноға), немесе мюонға(және тағы да екі нейтриноға) ыдырап кетеді. Әзірге ең ауыр τ-лептон 1975ж. Станфордта электрон-позитрондық қарсы шоқтарда бірінші рет бақыланды. Позитрондар оған қарсы бағытта өозғалатын электрондармен соқтығысу кезінде τ^- -лептон мен оның антибөлшегі τ⁺ -лептон қосақтары бақыланады. Тау-лептондар да барлық іргелі әсерлесуге дәл электрондар сияқты қатысады. Тау-лептон электрон мен мюоннан өзінің ішкі кванттық саны тау-лептондық зарядымен ажыратылады. Оның электр заряды электронмен бірдей. τ-лептонның өмірінің ұзақтығы 4,6*10^-13с.

3. Бөлшектердің үшінші класы – адрондар. Бұл пәрменді(күшті) ядролық әрекеттесуге қатысатын бөлшектер. Адрондар басқа да күштермен әрекеттесе алады, бірақ жақын қашықтықтарда пәрменді(күшті) әрекеттесу басым болады. Адрондарға нуклондар, пиондар және басқа да көптеген бөлшектер жатады. Адрондар саны лептондардан әлдеқайда көп. Олардың көбісі ядролық әсерлесуге тән 10^-22-10^-23с ішінде ыдырайтын резонанстар.

Адрондар 2 кіші топқа бөлінеді : бариондар (бариондық заряды +1 болатын бөлшектер және бариондық заряды -1 болатын антибөлшектер) және мезондар (бариондық заряды 0 болатын бөлшектер).

Мезондарға 0 немесе бүтін Һ-қа тең спин тән. Олар-бозондар. Ең жеңіл мезондар Юкава ядролық әсерлесу кванты ретінде ұсынған пиондар(π^+- , π⁰). Алғашқы мезон аты олардың аралық массасына (электрон мен протонның массаларының ортасындағы) байланысты ұсынылған болатын. Қазір кейбір мезондар, протоннан әлдеқайда ауыр.

Бариондар деп спиндері жартылай бүтін Һ-қа тең адрондарды атайды. Олардың көбісінің спині 1/2Һ-қа тең. Тек кейбір ең ауыр бариондардың спині 3/2Һ-қа тең. Нуклоннан ауырырақ бариондарға гиперон деп аталады.

Элементар бөлшектердің соңғы теориялары адрондардың құрама күйі болып табылатын кварктар. Басында 3 кварк болады деп есептелген. Содан кейін 4-ші сиқырланған кварктың бар екені анықталса, одан әрі 5-ші және 6-шы кварктар қажет болды. Кварктар саны лептондардыкімен тең болу керек деп күтілуде және кварктар мен лептондар нағыз элементар бөлшектер болып табылады делінеді. Кварктардың түсі болады. Кванттық хромодинамикаға сай, түстік зарядтардың арасында түстік пәрменді(күшті) әрекеттесудің тасымалдаушылары глюондар болып табылады деп саналады.

Әр элементар бөлшектің антибөлшектері болады. Антибөлшектің зарядтарының таңбалары бөлшектің зарядтарының таңбаларына қарма-қарсы, ал басқа қасиеттері(массасы,спині,өмір сүру уақыты) бөлшектердікімен бірдей. Кейбір, барлық зарядтары дәл 0-ге тең, бөлшектердің антибөлшектері олардың өзі болады. Мұндай бөлшектерді ақиқат бейтарап бөлшектер дейді.

4.ҒС-ң негізгі сипаттамалары

ҒС-ң өте маңызды сипаттамаларының бірі – қарқындылық. Берілген бағыт бойынша қарқындылық деп уақыт бірлігі ішінде бірлік денелік бұрыш шегінде бағытқа перпендикуляр орналасқан бірлік бет арқылы өтетін бөлшектердің саны. өлшемділігі =бөлш. /см с ср

Бірақ әдетте сәулелену моноэнергиялық болып табылмайды, яғни әртүрлі энергиялы бөлшектерден тұрады. Бұндай сәулелену үшін спектрлік (дифференциалдық) қарқындылық деген шама пайдаланылады. [I(E]=бөлш./см с ср ГэВ .

Энергиялары берілген Е энергиясынан көп бөлшектердің қарқындылығын көрсететін шама-интегралдық қарқындылық:

I(>E)=

Бөлшектердің энергия бойынша үлестірілуі энергетикалық спектр деп аталады. Энергетикалық спектрдің екі түрін айырады. Ол дифференциалдық спектр – дифференциалдық қарқындылықтың энергияға тәуелділігі, және интегралдық спектр – интегралдық қарқындылықтың энергияға тәуелділігі. Интегралдық спектр тек құламалы болу мүмкін.

I мен қатар басқа бөлшектер ағыны деп аталатын шаманы жиі қарастырады. Ол уақыт бірлігі ішінде горизонталь бірлік бет арқылы өтетін бөлшектер санымен анықталады. Оны табу үшін кейбір бағыттағы қарқындылық - ге тең болса, онда бұл бағытқа бұрыштағы (бұрыш астындағы) қарқындылық cos тең болатынын еске алып, бағытталған қарқындылықты барлық бағыт бойынша интегралдау керек: F = .

Денелік бұрыш деп кеңістіктің конустық бетпен шектелген бөлігін атайды. Орталығы денелік бұрыштың төбесінде орналасқан сфераның бетінде денелік бұрышпен кесілетін ауданын сфера радиусының квадыратына бөлсек, денелік бұрыштың өлшемін аламыз.

= =

=

Сәулелену изотроптық болса, жартылай сферадан бөлшектер ағыны үшін келесіні жазуға болады:

F= = = =

бөлш./см с

Дифференциалдық ағын бөлш./см с ГэВ

Кейде көлем бірлігіндегі бөлшектер санын анықтайтын концентрация деген шаманы пайдалануға қолайлы болады. Бағытталған моноэнергиялық сәулелену жағдайында

, мұнда бөлшектер жылдамдығы (*)

Сәулелену изотропты үлестірілген жағдайда (*) формуладағы қарқындылықты барлық бағыттар бойынша интегралдау керек

Моноэнергиялық емес сәулелену үшін ұқсас формула дифференциалдық концентрация деген шаманы анықтайды. Әдетте жай концентрация деп осы шаманы, не интегралдық концентрацияны айтады:

. Егер бөлшектердің ең төменгі энергиясы болса, онда кәдімгі (әдеттегі) қоюлану болады.

Изотроптық ғарыштық сәулелену Е-ның тығыздығы

Ғарыштық сәулеленудің анизотропия дәрежесінің сипаттайтын шама да өте маңызды. Егер кейбір бағыт бойынша максималды қарқындылық байқалса, ал басқа бағыт бойынша минималды қарқындылық байқалса, онда . вектордың бағыты максималды қарқындылық байқалатын бағытпен беттеседі.

Ғарыштық сәулеленудің мүмкін көздерін іздеген кезде бұл барлық сипаттамаларды еске алу керек. Мысалы, егер ғарыштық сәулелер энергиялық спектрі дәрежелік екені белгілі болса, ғарыштық сәулелену энергия тығыздығы белгілі болса, онда ғарыштық сәулелену көзі болу мүмкін объект дәл осындай спектрді, дәл осындай энергияны жабдықтауға тиісті. Бірақ мынаны еске алу керек: 1) көздерден тіркеуіш құралға жүрген кезде ҒС қоршаған ортамен әрекеттеседі де, сипаттамалары елеулі түрде өзгереді, 2) ҒС өтетін ортаның қасиеттері, әрине, тұрақты болып қалмайды, мұның нәтижесінде ҒС-ң вариациялары, яғни ҒС-ң уақыттағы, не кеңістіктегі өзгерістері пайда болады. Әдетте ҒС вариациясы деп ҒС-ң уақыт бойынша өзгерісін айтады. Ғарыштық сәуле көздерін табу үшін өлшеніп алынған мәліметтерге сүйеніп, ҒС-ң көздер маңындағы сипаттамаларын табу керек, яғни ҒС көздерден тіркеу тұрағына дейін қозғалысын қарастыру керек.

5.ҒС-ң ядролық құрамы

Ғарыштық сәулелер(сәулелену)-ол әлемнің әйтеуір бір қойнауында жоғарғы энергияларға дейін үдетілген зарядталған бөлшектер мен тұрақты атом ядролары(кейде Ғс-ке ғарыштық гамма сәулеленуді де жатқызады,бірақ әдетте Ғс-деп тек зарядталған бөлшектерді атайды).

Ғс бөлшектерінің энергиялары ~1-10МэВ-тен 10²¹ эВ-ке дейін жатады.

Ғс атомдар ядросының ағынымен анықталады, оның көп бөлігі ғарыш объекттерінде немесе ғарыш кеңістігінде жоғары энергияға дейін үдетілген не тудырылған протондар. Әдетте ҒС деп бірнеше жүздеген млн эВ энергиядан жоғары бөлшектерді түсінеді. Дегенмен, онымен(ҒС) энергиялары айтарлықтай кіші бөлшектер де(субғарыштық) тығыз байланысты, сонымен қатар, рентгендік сәулелер- ᵞ сәулелер мен нейтрино да.

1-ші реттік сәулеленудің маңызды қасиеттері болып оның құрамы мен энергетикалық спектрі табылады. Бірақ 1-ші реттік ҒС-тың барлық қасиеттерін тәжірибеден зерттеу мүмкін болмайды. Оның сипаттамаларының бір бөлігі атмосферада ҒС-пен анықталатын 2-ші реттік құбылыстарды бақылағанда белгілі болды. Осы барлық тәжірибеден алынған мәлімет Күн жүйесіндегі ҒС-ке қатысты. Жұлдызаралық кеңістікте(Галактика мен Метагалактикада) ҒС қасиеттері басқа болуы да мүмкін.

1) Алғашқы(бірінші) реттік ҒС- Жер атмосферасынан тыс Ғс ( кейде ГҒс-тің гелиомагнитосферада таралуын қарастырған кезде алғашқы Ғс деп гелиомагнитосферадан тыс Ғс-ті айтады).

2) Екінші реттік ҒС- алғашқы Ғс-ң жер атмосферасының атом ядроларымен әрекеттесу нәтижесінде пайда болған Ғс.

Алғашқы Ғс-ң химиялық(ядролық) құрамы: ~90%-протондар;

~8%-альфа бөлшектер;

~2%-гелийден ауыр ядролар;

~аз мөлшердегі электрондар;

~ одан да аз мөлшердегі позитрондар мен антипозитрондар

Екінші реттік Ғс химиялық(ядролық) құрамы: қазіргі заманда белгілі барлық дерлік элементар бөлшектер кіреді.Одан ары элементар бөлшектер көбісі алғаш рет Ғс құрамында табылды .

6. ҒС-ң Жер атмосферасы арқылы өтуі

Жер атмосферасына енген ғарыштық сәулелердің құрамындағы протондар мен басқа зарядталған бөлшектер ауаның атомдарымен (негізінен азот пен оттегінің) соқтығысады. Соқтығысу нәтижесінде ядро жаңқаланып орнықсыз элементар бөлшектер түзіледі. Протонның ауадағы орташа соқтығыс аралық жолы 80г/см²жуық. Бұл Жер атмосферасының қалыңдығының 1/13тең. Демек, ол атмосфераны өту кезінде бірнеше соқтығысуға душар болуы тиіс. Осыдан бірінші реттік ғарыштық сәулелердің Жерге жетуінің ықтималдылығы өте мардымсыз. Оның есесіне атмосфераның терең, жерге жақынырақ бөлігінде екінші реттік ғарыштық сәулелер бақыланады. Олардың құрамында бақыланатын элементар бөлшектердің барлығы дерлік болады. Құрамындағы бөлшектердің табиғаты мен қасиеттеріне қарай, екінші реттік ғарыштық сәулелердің ядролық активті яғни нуклондық (1), мюондық( 2 )және электрон-фотондық (3) құраушыларын ажыратады.

Екінші реттік нұрдың ядролық активті(нуклондық) бөлігін нуклондар мен ыдырап үлгермеген және π^- мезондар құрады. Олардың ауа ядроларымен әсерлесуі бөлшектердің жаңа тобын туғызады. Бұл құбылыс олардың энергиясы Е_к~10¹⁹ эВ деңгейге дейін төмендегенше жалғасады. Жер бетіне ядролық активті(нуклондық) бөлшектердің 1% ғана жетеді.

Мюондық және нейтринолық құраушылар зарядталған пиондардың ыдырауы нәтижесінде пайда болады: π^+- →μ⁺ + ν_μ(ν_μ)

Мюондар тек нәзік және электромагниттік әсерлесулерге қатысады, ядролық әсерлесуге қатыспайды. Осының нәтижесінде олар Жер бетіне жетіп, оның қойнауына бірнеше километрге дейін енеді. Нейтрино Жерді оп-оңай тесіп өте алады.

Электрон-фотондық құраушы бейтарап пионның

π ₀ →2 ᵞ

ыдырауынан туады. Ядроның электр өрісінде гамма-квант электрон- позитрон қосағын түзеді:

ᵞ → е⁺ + е^-

Электрон мен позитронның тежелуі салдарынан жаңадан гамма-кванттар түзіліп, олар өз кезегінде электрон –позитрондық қосақтар туғызады. Бұл құбылыс бөлшектердің санының тасқынды өсуін береді. Бұл тасқындық құбылыс бөлшектердің энергиясы радиациялық шығын мен иондау шығыны мөлшерлес болғанға дейін созылып, одан кейін тасқын бәсеңдейді. Тасқынның құрамындағы бөлшектер саны бірінші реттік бөлшектің энергиясына пропорционал болады. Энергиясы Е_к >10¹⁴ эВ бөлшек туғызатын тасқынның құрамында 10⁶-10⁹ электрон мен позитрон болады. Мұндай тасқындарды енді атмосфералық нөсер (EAH) деп атайды. EAH асқын энергиялы ғарыштық сәулелерді зерттеулерде қолданылады.

Ж ер атмосферасының жуан қабаты (1000 г/см² жуық) арқылы өтіп, алғашқы ҒС (яғни Жер атмосферасынан тыс ҒС) атмосфера атом ядроларымен әсерлесіп, құрамы мүлдем басқаша екінші реттік ҒС тудырады (1 сурет).

Жерді және басқа планеталарды қоршайтын атмосфера алғашқы ҒС үшін маңызды бөгет (кедергі) болады, атмосфераның ішкі қабаттарында алғашқы сәулеленудегілерден мүлде басқа, екінші реттік бөлшектер тіркеледі. Атмосферада болатын алғашқы ҒС- ң екінші реттік ҒС-ке айналуы елеулі түрде атмосфераның қасиеттеріне, яғни бойлығына, тығыздығына, химиялық құрамына тәуелді.

Жер атмосферасы негізінен үш газдан: ~78 % азоттан, ~ 21% оттектен және көп емес көмір қышқыл газдың қоспасынан тұрады. Теңіз деңгейінен атмосфера шекарасына дейінгі ауаның тіке бағанасындағы заттың жалпы мөлшері 1030 г/см тең. Бұл көзден жерге дейін ғарыштақ сәулелер өтетін зат мөлшерінен (5г/см ) әлдеқайда көп. Сондықтан ғарыштық сәуле қасиеттерінің атмосферадағы өзгерісі тек санды жағынан емес, сапа жағынан болды.

Атмосфераның шекарасы анық, ширақ болмайды: биіктік өскен сайын ауа тығыздығы біртіндеп азая береді де(ол кезде химялық құрамы да өзгереді), планетааралық газдың тығыздығымен теңеледі.

Әртүрлі екінші реттік құраушылар пайда болуына әкелетін құбылыстар тізбегі жер магнит қалқандар арқылы өтіп атмосфераға жетіп келген адронның (протон немесе алғашқы ядроның) бірінші әрекеттесуінен басталады. Жоғары энергиялы бөлшектердің ядролармен әрекеттесудің бір ерекшелігі – ол энергияның орта есеппен жартысының алғашқы бөлшекпен табиғаты бірдей екінші реттік бөлшекке берілетінінде тұратын лидерлену эффектісі . Атмосфераның қалыңдығы оның ішінде онға дейін соқтығу болу үшін жеткілікті. Нуклондардың ядролармен соқтығу жүрісінде пайда болатын зарятталған пиондар энергияға тәуелді ықтималдықпен ыдырайды, немесе ядролармен әрекеттеседі. Ыдырап кеткен зарядталған пиондар ғарыштық сәуленудің мюондық құраушысын және нейтриноны, ал бейтарап пиондар – электрон – фотондық құраушысын туғызады. Атап айтылған құбылыстардың жиынтығы ядролық-касскадтық процесс деп аталды.

Теңіз деңгейіндегі екінші реттік ҒС негізінен үш құраушыдан тұрады: электронды-фотондық (1), мю-мезондық (2) және нуклондық (3). Электрондар зат арқылы өткенде өз энергиясын тежеулік сәулеленуді шығаруға және атомдарды иондауға, ал мюондар энергиясын көбісінде тек иондауға жұмсайды (өйткені тежеулік сәулеленуді шығаруға кететін энергия бөлшек массасының квадратына кері прпорционал). Сондықтан зат арқылы өткенде электрондық құраушы мюондықтан көрі әлде-қайда тез жұтылады. Осыған байланысты электрондық құраушыны жұмсақ деп, ал мюондық құраушыны қатаң деп атауға болады.