 |
|
|
| |
Mis
on elementaarosake?
JAAK LÕHMUS
Tartu Ülikooli Füüsika Insituudi vanemteadur.
Füüsika-matemaatikadoktor. |
|
| |
Mis puutub terminisse "elementaarosakesed",
siis peegeldab selle esimene pool
meie teadmisi nende kohta.
Enrico Fermi
Elementaarosake on midagi nii lihtsat,
et keegi ei tea sellest midagi.
Robert Oppenheimer
Meie intuitiivse ettekujutuse järgi peaks elementaarosake
olema midagi sellist, millel pole sisemist struktuuri ja
mida ei saa ka järelikult osadeks purustada. Ja nendest
peaksid koosnema kõik teised, "mitteelementaarsed" osakesed.
Kuidas niisugust osakest täpsemalt määratleda?
Tavaelus mõistetakse osakese all mingit väikest ainetükikest
(väga hästi kõlavad võrukeelsed terminid "tillopalokõnõ"
või "tsibiputtin") - see võiks olla kas liivatera, haavel,
kuulike, hernes vms. Me võime nende osakeste küljest tükikese
ära napsata või maha viilida, osakeste aineline iseloom
sellest ei muutu. Küll aga on nad individuaalselt erinevad
ja kordumatud. Ka kaks telliskivi tunduvad esmapilgul täpselt
ühesugused, kuid lähemal vaatlusel selgub, et alati on olemas
mingid väiksed erinevused (kriimud, mõrad jms.). See on
makrokehade omapära.
Mikromaailma osakesed on selles suhtes hoopis teistsugused,
nende vahel pole selliseid individuaalseid erinevusi pisiasjades
- et mõnel elektronil oleks mingi kriim peal, teisel jälle
telg veidi kõver (punktosakese korral ei kujutagi seda hästi
ette!). Kvantmehaanika seisukohalt on üht ja sama sorti
osakesed oma sisemiste omaduste poolest absoluutselt eristamatud.
Võiks arvata, et elementaarosakesega käib kaasas mingi täiuslik
iseparandav kood, mis hoiab "sordipuhtust".
Osakeste karakteristikud
Mikroosakeste maailm on suurte kiiruste ja kvantnähtuste
maailm, kus kehtivad relativistliku mehaanika (erirelatiivsusteooria)
ja kvantmehaanika seadused ja põhitõed, nagu näiteks osakeste
laineline iseloom.
Elementaarosakese üldisest määratlusest lähtudes jätame
kohe kõrvale niisugused omadused nagu kuju ja suurus. Tähtsaimad
relativistlikku osakest määratlevad karakteristikud on seisumass
(ei olene taustsüsteemist), elektrilaeng, sisemine
omapöörlemishulk ehk spinn (ingl. k. spin - pöörlema)
ja paarsus.
Nüüd võime öelda: elementaar- ehk fundamentaalosake on relativistlik
kvantosake, mille karakteristikuteks (osakest määratlevateks
omadusteks) on seisumass, spinn, paarsus,
eluiga ja laengutüüpi kvantarvud: elektrilaeng,
barüonarv, veidrus, sarm, ilu,
tõde (viimaseid nelja nimetatakse ka lõhnadeks);
leptonarv(ud) (e-lepton-, müüon- ja tauonarv) ning
kvarkide värvid; lisaks sellele veel lagunemisprotsessid
(koos nende suhteliste ehk osatõenäosustega).
Tavaettekujutuste ergutamiseks võiks öelda, et seisumass
oleks vastus küsimusele "Kui raske?". Spinn ja paarsus on
omadused, mis on järele jäänud osakese kujust (punkti "kuju"!).
Laengutüüpi kvantarvude kohta võiksime küsida "Kuidas lõhnab?",
kvarkide, gluuonite ja hadronite korral aga veel "Mis värvi?"
(Ja jumala pärast - need pole siiski lõhnad ja värvid tavalises
mõttes, ninaga neid juba ei nuusuta ja silmaga ei kae!)
Fundamentaalosakesed - maailmahoone kivid ja mört
Tuleb välja, et elementaarosakesed pole midagi muud
kui punktid, mis kannavad teatavaid arve, osakeste karakteristikuid.
Selline ettekujutus tundub olevat küllaltki formaalne.
Ainestruktuuride füüsikale on iseloomulik, et järjest sügavamale
minnes muutuvad meie piltlikud ettekujutused järjest skemaatilisemateks,
kenad pontsud omandavad luukere ilme ja lõpuks jäävad järele
mingid kriipsujukud. Tekib loomulik küsimus - kuidas on
siis meie rikkalik ainevormide maailm nendest punktidest
kokku pandud?
Tegelik ettekujutus osakestest on siiski tunduvalt keerulisem.
Osake kui niisugune tunneb teatud mõjutusi teiste osakeste
poolt ja avaldab ka ise nendele mõju, s.t. osakesed vastastikmõjustuvad
omavahel. Võib isegi öelda, et osakesed kui sellised ongi
välja kujunenud omavahelistes vastastikmõjudes.
Kui nüüd ette kujutada, et mingid elementaarosakesed on
aine ehituskivid, siis jõudusid, mis neid ainestruktuurides
koos hoiavad, võib ette kujutada mördina. Kivid ja mört.
Tuleb välja, et ka mört koosneb osakestest - vastastikmõjude
vahendajatest ehk jõudude kandjatest. Ja needki on elementaarsed,
struktuuritud - "punktikujulised".
Nimetus elementaarosake võeti kasutusele 1930. aastatel,
tähistamaks osakesi, millest sai maailma üles ehitada. Ja
nendeks olid elektron, prooton, neutron ja footon, puudu
jäi(d) tuumajõudude ülekandja(d). Kuna hiljem on seda nimetust
kasutatud (ja kasutatakse ka praegu) osakeste jaoks, mis
ilmselt pole enam elementaarsed (hadronid!), siis on mateeria
n.ö. tõelisi ehituskive ja "mörti" hakatud nimetama fundamentaalosakesteks.
Mõnikord tehakse ka vahet. Ehituskive - kvarke ja leptoneid
- nimetatakse fundamentaalfermionideks. Mördi osakesi -
vastastikmõjude (jõudude) ülekandjaid - aga vahebosoniteks.
Tänapäeva arusaamad aine ehituse alalt on praeguseks summeeritud
osakestefüüsika Standardmudelisse, mille kohaselt
kogu nähtav materiaalne maailm, Universum, on üles ehitatud
fundamentaalfermionidest, kvarkidest ja leptonitest,
kolme jõu - (1) tugeva kvarkidevahelise jõu, (2) nõrka ja
elektromagnetilist jõudu ühendava elektronõrga jõu ja (3)
gravitatsiooni vahendusel. Neid jõudusid (ehk vastastikmõjusid
ehk interaktsioone) kannavad üle vastavad vahebosonid:
(1) gluuonid, (2) footon ja nõrga mõju vahebosonid ning
(3) praegu veel hüpoteetiline graviton.
Osake väljade kvantteoorias
Osakestefüüsika eksperiment näitab osakestevaheliste
jõudude huvitavat ja rikkalikku ilmingut väga mitmesuguste
muundumisprotsesside näol, kus ühed osakesed kaovad ja teised
tekivad, muidugi kooskõlas kindlate jäävusseadustega. Meie
kriipsujukudel , õigemini karakteristikutega ehitud punktidel,
näib eluvaim sees olevat.
Osakese määratlusest relativistliku kvantosakesena jääb
väheseks nende protsesside mõistmiseks, sest tavaline kvantmehaanika
ei kirjelda osakeste teket ja kadu, selleks tuleb kvantosakese
lainelist iseloomu üldistada osakesele vastavaks väljaks
ja käsitleda osakest kui selle välja kvanti. Väli
tähendab seda, et igas ruumipunktis on antud suurus, mis
võib ajas muutuda. Kvantvälja korral on igas punktis võnkesüsteem,
mis oma seisundit muutes kas kiirgab või neelab välja kvante,
väljale vastavaid osakesi. Kui väli saab energiat juurde
või annab ära, suureneb või väheneb vastavate osakeste arv.
Välja olekut, kus osakesed puuduvad, nimetatakse selle välja
vaakuumiks. Väljade kvantteooria seisukohalt ruum pole
midagi muud kui kõikide füüsikaliste väljade vaakuum. (vt.
trükinumbrist Leo Sorgsepp. "Mikroreaalsuse tunnetamisest")
Väljade kvantteooria on suur ja vägev teooria, mis sai aluse
osakeste elektromagnetilist vastastikmõju kirjeldavast
kvantelektrodünaamikast. Kuigi see ei sobinud otseselt
teistele mõjudele, sai ta siiski aluseks kvantkromodünaamikale,
mis kirjeldab kvarkidevahelist mõju, ja elektronõrga
interaktsiooni teooriale, mis ühendab elektromagnetilist
ja nõrka mõju. Teoreetikute unistuseks on luua ühtne teooria,
mis haaraks n.-ö. "ühtse raamiga" kõik osakesed ja vastastikmõjud,
gravitatsioon kaasa arvatud. Niisuguse teooria rolli püüdleb
superstringiteooria, mida nimetatakse isegi Kõiksuse
teooriaks (ingl. TOE - Theory of Everything;
vt. trükinumbrist Jüri Örd. "Uued vaated mikromaailmale").
Mittespetsialisti kohutab nende teooriate matemaatiline
keerukus, kusjuures viimatimainitu juures on seda häda kurtnud
ka teooria loojad ise.
Saaga kurb lõpp - kvargid jäävad vangi
Antiik-Kreeka aegadest kuni möödunud sajandi keskpaigani
jõudis inimmõte Demokritose jagamatust atomosest
kuni keemia aatomini. Saja aasta jooksul elektroni
avastamisest 1897 kuni tänaseni on mateeria struktuuris
avastatud sügavuti kolm uut taset: tuumad, nukleonid
(prootonid ja neutronid), kvargid ehk teiste sõnadega:
aatomi ehitus (koosneb tuumast ja elektronkattest), tuuma
ehitus (koosneb nukleonidest) ja nukleoni ehitus (koosneb
kvarkidest).
Viimane, nivoo mateeria struktuuris on mõneski mõttes eripärane.
Kui seni oli mateeria struktuuride uurimine toimunud koost
lahti võtmise vaimus, siis see nivoo andis kvarkide vangistuse.
Kvarkide jaoks nähtavasti pole olemas vaba olekut, seda
"omaette olemist", millega me oleme harjunud kõigi teiste
osakeste korral. (Vt. trükinumbrist Ilmar Ots. "Kvargid
- hadronite vangid")
Mida tähendab aga edaspidiseks kvarkide vangistus? Kas tähendab
see taoliste struktuurinivoode lõppu ja millegi täiesti
uue algust!? Kas on kuidagimoodi võimalik uurida vangistatud
osakeste struktuuri? On vahest mõistlik, kui me need küsimused
esialgu küsimusteks jätamegi.
tagasi ...
|
|
|