Кіріспе
Элементар бөлшектердің түрлері
Лептондардың алты дәмі
Бөлшек физикасында, "дәм" немесе "flavor" термині элементар бөлшектердің түрін білдіреді. Стандартты модель кварктердің алты түрін және лептондардың алты түрін қамтиды. Олар барлық субатомдық бөлшектерге тағайындалған дәм кванттық сандарымен әдетте параметрленеді. Сондай-ақ, оларды кварк-лептон ұрпақтары үшін ұсынылған кейбір отбасылық симметриялармен де сипаттауға болады.
Кванттық сандар
Классикалық механикада бөлшекке ұқсас нүктеге әсер ететін күш тек бөлшектің динамикалық күйін, яғни оның импульсін, бұрыштық импульсін және т.б. өзгерте алады. Дегенмен, кванттық өріс теориясы бөлшектің табиғатының басқа да жақтарын өзгерте алатын өзара әрекеттесулерге мүмкіндік береді, олар динамикалық емес, дискретті кванттық сандармен сипатталады. Атап айтқанда, әлсіз күштің әсері кварктар мен лептондардың массасы мен электр зарядын сипаттайтын кванттық сандарды бір дискретті түрден екіншісіне түрлендіруге мүмкіндік береді. Бұл дәмнің өзгеруі немесе дәмнің трансмутациясы деп аталады. Кванттық сипаттамаларына байланысты дәмдік күйлер кванттық суперпозицияға түсуі мүмкін. Атомдық физикада электронның бас кванттық саны оның қай электрон қабығында орналасқанын анықтайды, бұл бүкіл атомның энергия деңгейін анықтайды. Сол сияқты, бес дәмдік кванттық сандар (изоспин, таңсық, сүйкімділік, төменгілік немесе жоғарлық) кварктардың кванттық күйін алты түрлі дәмді (u, d, s, c, b, t) көрсететін дәрежеге қарай сипаттай алады. Көптеген кварктардан құралған құрама бөлшектер, мысалы, мезондар мен бариондар сияқты адрондарды құрайды, олардың әрқайсысы ерекше жиынтық сипаттамаларға ие, мысалы, әртүрлі массалар, электр зарядтары және ыдырау түрлері. Адронның жалпы дәмдік кванттық сандары әр түрлі дәмді құрайтын кварктардың санына байланысты.
Дәмнің симметриясы
Егер екі немесе одан көп бөлшектер бірдей өзара әрекеттесуге ие болса, оларды физикалық құбылыстарға әсер етпей алмастыруға болады. Осы екі бөлшектің барлық (кешенді) сызықтық комбинациялары, егер комбинациялар бір-біріне ортогональ немесе перпендикуляр болса, бірдей физиканы береді. Басқаша айтқанда, теорияда мысалы, симметриялық түрлендірулер бар, мұндағы u және d – екі өріс (лептондар мен кварктардың әртүрлі буындарын көрсетеді, төменде қараңыз), ал M – бірлік детерминанты бар кез келген унитарлық матрица. Мұндай матрицалар SU(2) деп аталатын Ли тобын құрайды (арнайы унитарлық топқа қараңыз). Бұл дәм симметриясының мысалы. Кванттық хромодинамикада дәм сақталатын жаһандық симметрия болып табылады. Ал электрожұқ теориясында бұл симметрия бұзылады және кварктардың ыдырауы немесе нейтрино осцилляциясы сияқты дәмді өзгертетін процестер болады.
Лептондар
Барлық лептондарда 1=L=1 лептондар саны болады. Сонымен қатар, лептондар әлсіз изоспинді, T3 алып жүреді, ол үш зарядталған лептон үшін (яғни электрон, мюон және тау) - теріс, ал үш байланысты нейтрино үшін – оң болады. Зарядталған лептон мен қарама-қарсы T3-ге ие нейтриноның әрбір жұбы лептонның бір буынын құрайды. Бұдан өзге, әлсіз гиперзаряд деп аталатын кванттық сан анықталады, ол барлық сол жақ лептондар үшін -1-ге тең. Әлсіз изоспин және әлсіз гиперзаряд Стандартты модельде өлшенеді. Лептондарға алты дәм кванттық саны тағайындалуы мүмкін: электрон саны, мюон саны, тау саны және нейтринолар үшін сәйкес сандар (электрон нейтриносы, мюон нейтриносы және тау нейтриносы). Бұл сандар күшті және электромагниттік өзара әрекеттесулерде сақталады, бірақ әлсіз өзара әрекеттесулерде бұзылады. Сондықтан, мұндай дәм кванттық сандары көп пайда бермейді. Әр буын үшін жеке кванттық сан тиімдірек: электрондық лептон саны (+1 электрондар мен электрон нейтринолары үшін), мюондық лептон саны (+1 мюондар мен мюон нейтринолары үшін) және таулық лептон саны (+1 тау лептондары мен тау нейтринолары үшін). Дегенмен, тіпті бұл сандар да толығымен сақталмайды, себебі әртүрлі буынға жататын нейтринолар араласа алады; яғни, бір дәмді нейтрино басқа дәмге айналуы мүмкін. Мұндай араласудың күші Понтекорво-Маки-Накагава-Саката матрицасы (PMNS матрицасы) деп аталатын матрицамен сипатталады.
Антибөлшектер мен адрондар
Дәмділік кванттық сандары қосылатын. Сондықтан антибөлшектердің дәмділігі бөлшектердің дәмділігіне шамамен тең, бірақ таңбасы қарама-қарсы. Хадрондар өздерінің дәмділік кванттық сандарын құрамындағы валенттік кварктерінен мұраға алады: бұл кварк моделіндегі жіктелудің негізі болып табылады. Гиперзаряд, электр заряды және басқа дәмділік кванттық сандар арасындағы қатынастар хадрондар мен кварктар үшін де сақталады.
Дәм проблемасы
Дәм проблемасы (Дәм жұмбағы деп те аталады) – қазіргі стандартты модельдің дәмдік физикасы стандартты модельдегі бөлшектердің еркін параметрлерінің неге осы мәндерге ие екенін, ал PMNS және CKM матрицаларындағы араласу бұрыштарының неге белгілі шамалары бар екенін түсіндіре алмайды. Бұл еркін параметрлер – фермиондардың массалары мен олардың араласу бұрыштары – нақты реттелгендей көрінеді. Мұндай реттелудің себебін түсіну – дәм жұмбағын шешу болар еді. Бұл жұмбақта өте негізгі сұрақтар туындайды, мысалы, неге үш кварк ұрпағы бар (жоғары, төмен; шарм, сирек; және жоғарғы, төмен) және үш лептон (электрон, мюон және тау нейтриносы), сондай-ақ осы фермиондардың әртүрлі дәмдері арасында массалық және араласу иерархиясы қалай және неге қалыптасады.
Кванттық хромодинамика
Кванттық хромодинамика (КХД) кварктердің алты түрін қамтиды. Дегенмен, олардың массалары әртүрлі болғандықтан, бір-бірімен толықтай алмастырыла алмайды. Жоғары және төменгі кварктердің массалары шамамен тең, сондықтан осы екі кварк теориясы шамамен SU(2) симметриясына (изоспин симметриясына) ие.
Хиральдық симметрияның сипаттамасы
Кейбір жағдайларда (мысалы, кварк массалары 250 МэВ хиральдық симметрия бұзылу масштабынан әлдеқайда кіші болғанда) кварк массалары жүйенің мінез-құлқына маңызды үлес қоспайды, және бірінші жақындаудағы ең жеңіл кварктардың массасын көптеген мақсаттар үшін елеусіз деп санауға болады, олардың массасы нөлге тең болғандай. Дәм өзгерістерінің қарапайымдатылған мінез-құлқы, әр кварк өрісінің сол және оң қолды бөліктеріне тәуелсіз әрекет ететіндей етіп сәтті модельделуі мүмкін. Дәм симметриясының бұл шамамен сипаттамасы хиральдық топпен сипатталады.
Векторлық симметрияның сипаттамасы
Егер барлық кварктердің массасы нөлден өзгеше, бірақ тең болса, онда бұл хиральдық симметрия "диагональді дәм тобының" SU(Nf) векторлық симметриясына дейін бұзылады, бұл кварктердің екі спиральділігіне де бірдей трансформацияны қолданады. Бұл симметрияның төмендеуі – симметрияны нақты бұзудың бір түрі. Симметрияны нақты бұзудың күшін QCD-дегі ағымдық кварк массалары анықтайды. Егер кварктер массасыз болса да, теорияның вакуумында хиральдық конденсат болған жағдайда (төмен энергиялы QCD-дегідей), хиральдық дәм симметриясы спонтанды түрде бұзылуы мүмкін. Бұл кварктерге тиімді масса береді, ол көбінесе QCD-дегі валентті кварк массасымен теңестіріледі.
QCD симметриясы
Эксперименттерді талдау көрсетіп тұр, қазіргі кварк массалары жеңіл кварктардың ішінде QCD шкаласы ΛQCD-ден әлдеқайда кіші. Сондықтан, хиральдық дәм симметриясы жоғары, төмен және ерекше кварктар үшін QCD-ге жақсы жуықтама болып табылады. Хиральды бұзылыс теориясының және одан да қарапайым хиральды модельдердің сәттілігі осы фактіге байланысты. Кварк моделінен алынған валентті кварк массалары қазіргі кварк массаларынан әлдеқайда үлкен. Бұл QCD-де хиральды конденсаттың қалыптасуымен хиральды симметрияның спонтанды түрде бұзылуын көрсетеді. QCD-нің басқа фазалары хиральдық дәм симметриясын басқаша бұзуы мүмкін.
Изоспин
Изоспин, ерекшелік және гиперзаряд кварк моделіне дейінгі кездерде пайда болды. Осы кванттық сандардың біріншісі – Изоспин, 1932 жылы Вернер Гейзенберг жаңадан ашылған нейтронның (n символы) симметриясын түсіндіру үшін енгізді: Нейтрон мен протонның (p символы) массалары шамамен бірдей: Олар дерлік дегенеративті, сондықтан екеуі де жиі «нуклондар» деп аталады, бұл термин олардың айырмашылықтарын ескермейді. Протонның оң электр заряды бар, ал нейтрон бейтарап болғанымен, олардың барлық басқа аспектілерінде де шамамен бірдей, ал олардың ядролық байланыс күшінің (бұрынғы түсті күштің қалдық күші) өзара әрекеттесуі кейбір жағдайлардағы электр күшіне қарағанда өте күшті болғандықтан, олардың айырмашылықтарына көп көңіл бөлудің қажеті шамалы. Кез келген екі нуклон арасындағы күшті өзара әрекеттесудің күші, олар протон немесе нейтрон ретінде өзара әрекеттессе де, бірдей болады. Протон мен нейтрон бірдей массаға ие және (әлсіз) электромагниттік өзара әрекеттесуді ескермегенде, шамамен бірдей әрекеттеседі, сондықтан олар нуклон ретінде топтастырылып, бір бөлшектің әртүрлі күйлері ретінде қарастырылды. Гейзенберг бұл симметрияның математикалық формуласы белгілі бір жағынан релятивистік емес спиннің математикалық формуласына ұқсас екенін атап өтті, содан «изоспин» атауы шықты. Нейтрон мен протон SU(2) дублетіне (спин 1/2, 2 немесе фундаментальды бейнелеу) жатқызылады, ал протон мен нейтрон тиісінше әртүрлі изоспиндік проекциялармен (+1/2 және -1/2) байланыстырылады. Пиондар SU(2) үштігіне (спин 1, 3 немесе қосымша бейнелеу) жатқызылады. Дегенмен, спин теориясынан айырмашылық бар: топтық әрекет дәмді сақтамайды (іс жүзінде, топтық әрекет – дәмді алмастыру). Ядролық күштердің физикалық теориясын құрастырғанда, жалпы изоспин сақталуы керек болғанымен, оның изоспинге тәуелді емес екенін қарапайым түрде қабылдауға болады. Изоспин тұжырымы 1950 және 1960 жылдары ашылған адрондарды жіктеуде пайдалы болды (бөлшектер зоопаркын қараңыз), онда ұқсас массасы бар бөлшектерге SU(2) изоспин мультиплеті берілді.
The mass of the neutron and the proton (symbol p) are almost identical: They are nearly degenerate, and both are thus often referred to as “nucleons”, a term that ignores their differences. Although the proton has a positive electric charge, and the neutron is neutral, they are almost identical in all other aspects, and their nuclear binding force interactions (old name for the residual color force) are so strong compared to the electrical force between some, that there is very little point in paying much attention to their differences. The strength of the strong interaction between any pair of nucleons is the same, independent of whether they are interacting as protons or as neutrons. Protons and neutrons were grouped together as nucleons and treated as different states of the same particle, because they both have nearly the same mass and interact in nearly the same way, if the (much weaker) electromagnetic interaction is neglected. Heisenberg noted that the mathematical formulation of this symmetry was in certain respects similar to the mathematical formulation of non relativistic spin, whence the name "isospin" derives. The neutron and the proton are assigned to the doublet (the spin 1/2, 2, or fundamental representation) of SU(2), with the proton and neutron being then associated with different isospin projections and − 1/2 respectively. The pions are assigned to the triplet (the spin 1, 3, or adjoint representation) of SU(2). Though there is a difference from the theory of spin: The group action does not preserve flavor (in fact, the group action is specifically an exchange of flavour). When constructing a physical theory of nuclear forces, one could simply assume that it does not depend on isospin, although the total isospin should be conserved. The concept of isospin proved useful in classifying hadrons discovered in the 1950s and 1960s (see particle zoo), where particles with similar mass are assigned an SU(2) isospin multiplet.
Қауіпсіздік және гиперзаряд
Каон сияқты ерекше бөлшектердің табылуы күшті өзара әрекеттесуде сақталатын жаңа кванттық санға – таңғажайыпқа (немесе балама гиперзарядқа) әкелді. Гелл-Манн – Нишиджима формуласы 1953 жылы анықталды, ол таңғажайыпты және гиперзарядты изоспинмен және электр зарядымен байланыстырады.
Сегіз жол және кварк моделі
Каондар мен олардың құрғақтық қасиеттері жақсырақ түсінілгеннен кейін, олардың да изоспинді кіші топ ретінде қамтитын үлкендеген симметрияның бір бөлігі екені анық бола бастады. Мюррей Гелл-Манн бұл үлкен симметрияны "Сегіздік жол" деп атады, және ол SU(3) тобының қосымша өкілдігіне сәйкес келетіні тез анықталды. Осы симметрияның пайда болуын жақсырақ түсіну үшін Гелл-Манн SU(3) дәмдік симметриясының негізгі өкілдігіне жататын жоғары, төмен және таңғажайып кварктердің бар екенін ұсынды.
GIM-механизмі және әшекей
Дәм өзгертуші бейтарап тоқтардың байқалмауының себебін түсіндіру үшін 1970 жылы GIM механизмі ұсынылды, ол шарм кваркін енгізіп, J/psi мезонын болжады. 1974 жылы J/psi мезоны табылды, бұл шарм кварктерінің бар екенін растады. Бұл жаңалық қараша революциясы деп белгілі. Шарм кваркімен байланысты дәмдік кванттық саны шарм деп аталды.
Төменгі және жоғарғы жағы
Төменгі және жоғарғы кварктар 1973 жылы CP бұзылуын түсіндіру мақсатымен болжамдалды, бұл екі жаңа дәмдік кванттық санды да білдірді: төмендік және жоғарлық.