 |
|
|
| |
Elementaarosakesed
ja jõud nende vahel
ILMAR OTS (1937)
Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi teoreetilise füüsika labori
juhataja. Füüsika-matemaatikakandidaat. |
|
| |
Millest ja kuidas on tehtud maailm? Raske kaksikküsimus,
kuid pole asju, mida inimene ei tea! Ka sellele küsimusele
on ikka vastused leitud, eri aegadel erisugused - lihtsamad
ja keerulisemad. Vahest kõige lihtsama lahenduse andis Anaximenes
Mileetosest 6. sajandil e. Kr.. Selle järgi seletuvad kõik
mateeriavormid vaid ühe elemendi - õhu - tihenemise ja hõrenemisega.
Kahjuks on ülilihtsal mudelil üks viga: ta pole õige! Aeg
on karmilt kohelnud ka ülejäänud mikromaailma mudeleid möödanikust,
ning kahtlemata ei jäta ta puutumata nüüdseidki konstruktsioone.
Kuid iga muutus sisaldab alati jäävat. Aeg on inimese-uurija
targemaks teinud, talle mikromaailma "vaatamiseks" ja oma
mõtte kontrollimiseks unikaalsete seadmetega eksperimente
võimaldanud. On tekkinud uus teadusharu - elementaarosakeste
füüsika. Kõik see annab alust arvata, et nüüdismudel eelnevatest
enam reaalsusele vastab.
Mikromaailma praegune mudel...
pretendeerib kogu reaalsuse seletamisele väheste struktuurita
osakeste ja nendevaheliste jõudude (vastastikmõjude) kaudu.
Nüüdiseksperimendi tase suudab määrata osakeste mõõtmeid,
kui nad pole väiksemad kui 10-16-10-17 cm. Alla selle loetakse
osakesed punktikujulisteks. Selliste punktikujuliste, praegu
elementaarseiks loetavate osakeste - maailma ehituskivide
- arv pole küll nii väike kui Anaximenese algelementide
arv, kuid mitte ka väga suur. Kuus leptoniteks nimetatud
osakest on jaotatud kolme perekonda: elektron ja
elektronineutriino, müüon ja müüneutriino
ning tauon ja tauneutriino. Ning nende samade
perekondade vahel jaotuvad kuus kvarki: vastavalt u-
ja d-kvark, s- ja c-kvark, b-
ja t-kvark. Igale osakesele lisandub temale vastav
antiosake, mis on sama massi ja spinniga, kuid vastasmärgiga
ülejäänud osakest iseloomustavate suurustega (laengutega).
Kokku teeb see (juhul kui ükski osake ja tema antiosake
pole identsed) 24 elementaarset ehituskivi. Veel
veerandsada aastat tagasi arvati elementaarosakesi hoopiski
rohkem olevat. Tõsi, leptoneid oli küll kahe võrra vähem,
sest polnud veel leitud tauoni perekonda, kuid mitteleptoneist
loeti elementaarseiks oma pöörlemismomendi ehk spinni järgi
kahte suurde klassi jaotatavad osakesed: poolearvulise spinniga
osakesed, barüonid (prooton, neutron,l-barüonid,
S-barüonid, ...) ja täisarvulise spinniga osakesed, mesonid
(p-mesonid ehk piionid, h-meson, K-mesonid ehk kaaonid,
…). Kokku on selliseid osakesi, mille ühisnimi on hadronid,
kaugelt üle saja. Pärast kvargihüpoteesi ja selle katselist
kinnitust selgus, et kõik need osakesed pole tõeliselt elementaarsed,
vaid koosnevad kvarkidest, erinevad osakesed kvarkide erinevatest
kombinatsioonidest. Traditsiooni tõttu nimetatakse ka neid
tõeliselt mitte elementaarseid osakesi edasi elementaarosakesteks.
Meid ümbritseva tavamateeria ehitamiseks läheb vaja vaid
kolme elementaarosakest: u- ja d-kvarki ning
elektroni. Kvargid kombineeruvad kolmekaupa, moodustades
prootoneid ja neutroneid, viimastest ehituvad aatomituumad.
Tuumad koos elektronidega ühinevad aatomiteks, viimased
molekulideks. Aatomitest ja molekulidest koosnevad gaasid,
vedelikud ja tahkised - silmaga nähtavad makromaailma komponendid.
Ülejäänud tõeliselt elementaarsed osakesed ning nendest
koosnevad liitosakesed on nii-öelda eksootika - nad kas
tekitatakse kiirenditega või on kosmilistes kiirtes, nende
eluiga on väga väike, alates miljondikust sekundist ning
ulatudes tublisti alla 10-20
(üks jagatud ühele kahekümne nulliga!) sekundi. Erandiks
on neutriinod, mille eluiga on väga pikk, kui mitte lõpmatu
ja mis mängivad tavamateeria muundumistes olulist, seni
veel lõpuni määratlemata, rolli.
Osakestevahelised jõud
Mis "liimib" kvargid prootoniteks ja neutroniteks, need
omakorda tuumadeks?
Osakesed vastastikmõjustavad üksteist, nende vahel on jõud.
Kõige elementaarsemate osakeste otsimine ja nende vahel
toimivatest jõududest aru saamine on ühe eesmärgi kaks lahutamatut
tahku. Mida elementaarsemad on osakesed, seda elementaarsemad
peaksid olema ka jõud nende vahel. Ja, mis veelgi olulisem,
osakesed ilmutavadki end meile jõudude (vastastikmõjude)
kaudu.
Praeguste teadmiste järgi taanduvad kõikvõimalikud keerulised
jõud maailmas neljale elementaarjõule - gravitatsioonilisele,
nõrgale, elektromagnetilisele ja tugevale jõule. Igapäevaelus
puutume kokku kahega neist - gravitatsioonijõuga ja elektromagnetilise
jõuga. Gravitatsioonijõud hoiab meid maapinnal, elektromagnetjõud
toob saatjalt signaali meie raadiotesse ja televiisoritesse,
tema toimet tunneme ka siis, kui vooluvõrgu seinakontaktist
"särtsu" saame. Taolisi näiteid igapäevakokkupuudetest gravitatsiooni-
ja elektromagnetjõududega võib tuua väga palju: need jõud
on tuntud, kuna neil on suur, lõpmatuseni küündiv mõjuraadius.
Tugeva ja nõrga jõu ulatus on väga väike, vastavalt 10-13
ja 10-15 -10-16
cm. Nende jõudude kaudu on vastastikmõjus vaid üksteise
lähedal olevad mikroobjektid. Igapäevaelus me neid jõude
ei tunneta. Sellistel väga väikestel kaugustel on tugev
jõud elementaarosakeste vahel ligi sada korda suurem kui
elektromagnetjõud, viimane omakorda umbes tuhat korda tugevam
nõrgast jõust. Gravitatsioonijõud mikroosakeste vahel on
kõigist ülejäänuist hoopiski tillem: ta on ka nõrgast jõust
tervelt 1034 korda väiksem.
Seetõttu mikromaailma uurimisel selle mõju arvesse ei võeta.
Mis millele mõjub?
Tugev ja elektromagnetjõud on küllaldaselt tugevad osakeste
kooshoidmiseks. Tugev jõud hoiab kvarke prootonites ja neutronites,
need omakorda seotakse tuumades kvarkidevaheliste jääkjõudude
kaudu. Elektromagnetjõud hoiavad aatomites koos tuumi
ja elektrone, jääkjõud aatomites liidavad aatomeid molekulideks.
Kahe osakese kohtumisel (näiteks kiirendikatses) võib tekkida
veel palju teisigi, väga erinevaid kvarkide seotud seisundeid.
Kõik need on aga väga lühikese elueaga, ebastabiilsed osakesed,
mida nimetatakse resonantsideks. Resonantside arvamine
elementaarosakeste hulka põhjustaski viimaste väga suure
arvu enne kvargihüpoteesi.
Kui osakesed satuvad üksteise lähedale, ei pruugi nad alati
endid üksteisega siduda. Seotud seisundid tekivad vaid siis,
kui osakeste suhteline liikumisenergia ei ole suur, nii
et osakeste vahel valitsevatel jõududel (kui need on tõmbejõud)
on jaksu osakesi üksteise lähedale painutada ja kinni hoida.
Enamikul juhtudel osakesed vaid hajuvad (põrkuvad) üksteiselt.
Jõust piisab ainult osakeste esialgsete liikumissuundade
muutmiseks, mitte nende kooshoidmiseks. Pärast põrget jätkavad
osakesed teekonda vabadena uutes suundades. Taolisi protsesse
nimetatakse osakeste elastseteks põrgeteks. Kui põrkuvate
osakeste energia on küllalt suur, võib osa sellest kuluda
uute osakeste tekitamiseks (massi ja energia ekvivalentsus!).
Hajumisprotsesse, kus lõppolekus pole täpselt samad osakesed
kui algolekus, nimetatakse mitteelastseteks põrgeteks.
Kõik kolm elementaarjõudu tekitavad veel üht liiki protsesse,
milles sünnivad uued osakesed. Need on osakeste lagunemisprotsessid.
Lagunemisprotsesside intensiivsus määrab osakeste eluea.
Tugeva jõu mõjul lagunevate osakeste eluiga on väga väike
- alla 10-20 sekundi. Selline
on eespool kõne all olnud resonantside eluiga. Elektromagnetjõudude
toimel lagunevate osakeste eluiga on mõnevõrra pikem. Veelgi
suurem on üldjuhul eluiga osakestel, mis võivad laguneda
vaid nõrga jõu toimel. Mõnel juhul (näiteks vaba neutroni
korral) mõõdetakse nende eluiga juba minutitega. Nõrk jõud
on liiga nõrk, et vähegi arvestatava tõenäosusega osakesi
seotud seisunditena koos hoida, tema põhjustabki vaid hajumis-
ja lagunemisprotsesse. Tuntuimaks nõrga jõu põhjustatud
lagunemisprotsessiks on tuumade b-lagunemine, millele elementaartasandil
vastab ühe kvargi muutumine teiseks ja leptonipaari (elektron+antineutriino
või positron+neutriino) väljakiirgamine tuumast.
Mis tekitab jõu elementaarosakeste vahel, mille mõjul kirjeldatud
protsessid toimuvad? Jõud valitsevad laengute vahel. Igale
elementaarjõule vastab teda tekitav laeng: elektromagnetjõu
tekitab elektrilaeng ja tema liikumine, nõrk laeng mõjutab
nõrgalt teist laengut, tugev jõud valitseb tugevate ehk
värvilaengute vahel. Kvargid kannavad kõiki laenguid, mistõttu
tunnevad kõiki jõude ehk, nagu elementaarosakeste füüsikud
ütlevad, osalevad kõikides vastastikmõjudes. Elementaarosakeste
füüsikas kasutatakse sõnu "jõud" ja "vastastikmõju" tavaliselt
sünonüümidena. Leptonitel tugevat laengut ei ole ja nad
ei tunne tugevat jõudu. Pooltel leptonitest - neutriinodel
- puudub ka elektrilaeng, ülejäänutel see on ja vastandina
neutriinodele mõjub neile elektromagnetjõud. Kõikidel leptonitel
on nõrk laeng ja nad osalevad nõrgas vastastikmõjus. Leptoneid
nimetataksegi vahel nõrga vastastikmõju osakesteks.
Gravitatsioonijõudu põhjustavaks laenguks on keha mass.
Et elementaarosakeste massid on väga väikesed, ongi gravitatsioonijõud
mikromaailmas väike võrreldes ülejäänud jõududega. Makromaailmas,
suurte masside korral annab gravitatsioonijõud ennast üpris
võimukalt tunda.
Kuidas kandub laengute mõju üksteisele?
Laengud loovad enda ümber välja, väli mõjub teistele
laengutele. Elektrilaengud tekitavad elektromagnetvälja,
tugevad ehk värvilaengud - värvivälja, nõrgad laengud -
nõrga mõju välja. Teisisõnu, kõik laengud on neile vastavate
väljade allikaiks. Erirelatiivsusteooria ütleb, et ükski
mõju ei või levida valgusest kiiremini. Teisalt ütleb kvantteooria,
et väljad on kvanditud, nende energia on koondunud elementaarsetesse
portsjonitesse - kvantidesse. Neid asjaolusid arvestades
on füüsikud loonud kvantväljateooria, kus jõud kahe osakese
(laengu) vahel tekib teatud kolmandate osakeste, mõju kandjate,
vahetamisel. Mõju kandjad, ehk vaheosakesed on jõuväljade
kvandid, nad liiguvad kiirusega, mis ei ületa valguse kiirust.
Elektromagnetjõu kandjaks on g-kvant
ehk footon, tugevat jõudu vahendavad kaheksa gluuoniks nimetatud
osakest (glue - ingl. k. liim). Nõrka jõudu kannavad
kaks elektrilaenguga ja üks laenguta osake. Neid nimetatakse
nõrga jõu vahebosoniteks.
Tegelikult on kõik jõu vahendajad bosonid (täisarvulise
omapöörlemismomendi ehk spinniga osakesed) spinniga üks.
Erinevalt jõu kandjatest on mateeriaosakesed - leptonid
ja kvargid - 1/2-spinniga fermionid (poolearvulise spinniga
osakesed). Tugeva ja elektromagnetilise mõju kandjad on
massita, nõrga mõju kandjad aga vägagi massiivsed. Mõju
kandjate vahetamisel üks mateeriaosake kiirgab vaheosakese
ja teine neelab selle.
Kvantteooria järgi toimubki vastastikmõju vaid mateeriaosakeste
ja jõuväljakvantide vahel viimaste tekke- ja kadumispunktides.
Nende punktide vahel liikudes ei tunne vaheosake ei oma
sünnitaja ega neelaja otsest mõju. Ometi on vaheosakese
vabadus oma sünni- ja surmaaktidega kitsendatud. Vabalt
liikuval osakesel on tema energia ja impulsi vahel kindel
seos. Vaheosakesel saab selline seos kehtida vaid juhul,
kui tema tekke- ja kaduprotsessides rikutakse energia jäävuse
seadust. Viimane on füüsika põhiline seadus, sellele toetudes
füüsikateooria üles ehitataksegi. Asi annab aga ennast sättida.
Kvantteoorias kehtivad Heisenbergi määramatuse seosed. Erijuht
ühest neist ütleb, et energia ja aja määramatuse korrutis
võrdub elementaarmõju - ehk Plancki konstandiga
(DE x Dt
= h).
Kui vaatame energia määramatust energia jäävuse rikkumise
suurusena vaheosakese tekkel, siis aja määramatus näitab,
kui kaua selline rikkumine võib kesta ehk teisisõnu, vaheosakesele
antud elamisaega. Energia rikkumise suurus ja vaheosakese
eluead on pöördvõrdelises sõltuvuses. Mida vähem vaheosakese
sünnitamisel energia jäävust rikutakse, seda kauem võib
osake elada, mida kauem ta elab, seda kaugemale jõuab sünnikohast
liikuda. See kaugus ongi aga vastastikmõju ulatus. Energia
jäävuse rikkumise suurus on võrdeline vaheosakese energiaga.
Mida väiksema energiaga vaheosake kiiratakse, seda vähem
rikutakse selles aktis energia jäävust. Massita jõu vahendaja
energia võib olla kui tahes väike, tema elamisaeg lõputu
ning valguse kiirusega liikudes võib ta oma eluaja jooksul
katta ükskõik kui pika vahemaa. Siit tulenebki massita vahendajaga
elektromagnetjõu lõpmata mõjuraadius. Öeldu peaks kehtima
ka tugeva jõu kohta, kuid võrreldes g-kvandiga
on massita gluuonitel oluline lisaomadus, mille tõttu tugeva
jõu mõjuraadius ei ületa barüonide ja mesonite mõõtmeid.
Massiga jõuväljakvandi energia ei saa olla väiksem tema
massienergiast. Selliste kvantide eluead ning selliste jõuväljadega
vastastikmõju raadiused on lõplikud - seda lühemad, mida
suurem on vahendaja mass. Et nõrga vastastikmõju vahendajate
mass on väga suur, ongi tema mõjuraadius üpris väike. Kõik
läks paika!
Eksisteerib aga ka alternatiiv. Vaheosakese tekke- ja kaduprotsessides
võib energia olla jääv, vaheosake aga kannab energiat ja
impulssi üksteisest sõltumatult ühelt mateeriaosakeselt
teisele. Just niisugust lähenemist kasutatakse kvantväljateoorias
protsesside arvutamisel. Mõlemad võimalused viivad samadele
tulemustele. Mõõdetamatuid vaheprotsesse kutsuvad füüsikud
virtuaalseteks protsessideks, vaheosakesi aga virtuaalseteks
osakesteks.
Standardmudel
Ülaltoodu on elementaartasemel antud pilt nüüdisaja
arusaamast elementaarosakestest, nende vahel valitsevatest
jõududest ja jõudude põhjustatud protsessidest. Selle pildi
taga olevat teadusteooriat nimetatakse elementaarosakeste
Standardmudeliks. Standardmudel võtab aluseks eespool nimetatud
struktuurita osakesed ja kolm jõudu nende vahel. Kuid teadusteooriaks
ei piisa vaid osakeste ja nende vahel valitsevate jõudude
teadmisest. Teooria peab andma eeskirja ka protsesside arvutamiseks:
osakeste eluigade, põrgete tõenäosuste, põrgetel tekkinud
osakeste hajumisnurkade jaotuste, seotud seisundite energiatasemete
jne. jne. leidmiseks. Teooria- ja katsetulemuste võrdlemisel
selgub, kas teoreetiline mudel kirjeldab adekvaatselt teatud
osa loodusest või mitte.
Üldise eeskirja mikroprotsesside arvutamiseks annab kvantväljateooria.
See seab kõikidele osakestele, ka mateeriaosakestele vastavusse
väljad ja vaatab osakesi väljakvantidena. Välju kirjeldatakse
väljafunktsioonidega, mis rahuldavad väljavõrrandeid. Väljavõrrandites
on kahesuguseid liikmeid. Ühed kirjeldavad vabade osakeste
liikumist, teised on väljade vastastikmõju liikmed. Kui
teine osa puudub, on tegemist vaid vabade väljade võrranditega.
Et ühe või teise elementaarjõu mõjul tekkivaid protsesse
arvutada, peavad teada olema vastastikmõju kirjeldavate
liikmete kujud väljavõrrandites. Need annab Standardmudeli
(kui ühe kvantväljateooria mudeli) vastastikmõjude teooria,
mida nimetatakse kalibratsiooniteooriaks. Selle loomisega
on jäädvustanud end teadusajalukku kolm füüsikut - Steven
Weinberg ja Sheldon Glashow USAst ning Abdus
Salam Pakistanist.
Üle veerandsajandi elementaarosakeste füüsikat valitsenud
Standardmudel pole seni katsega vastuollu läinud. Kuid ükski
mudel ei ole igavene. Kindlasti saabub see aeg, varem või
hiljem, mil katse tulemus erineb Standardmudeli ennustatust.
Teadlased on selleks valmis: juba üle paarikümne aasta arendatakse
uusi Standardmudelist üldisemaid teooriaid. Neid kutsutakse
Standardmudeli laiendusteks.
tagasi ...
|
|
|