Оршил
Хүн төрөлтөн хүрлийг амьдрал ахуйдаа хэрэглэж эхэлсэн үеэс эргэн тойрондоо оршин буй бодисуудыг сонирхон судалж эхэлсэн гэж үзэж болно. Тэр үеэс хойш XIX зууны төгсгөл хүртэл хүмүүсийн байгаль дээрх бараг ихэнх бодисыг шинжилсээр цуглуулсан баримтууд нь бүх бодис хоорондоо хувийн жингээрээ ялгаатай хожим атом гэж нэрлэсэн зуугаад төрөл бөөмсөөс бүрэлдэж байгаа гэх үзлийг бататгасан. Дараа нь электрон, протон, нейтрон зэрэг атомаас илүү эгэл бөөмсийг илрүүлж, фото эффект, Резерфордын сарнил зэрэг туршилтууд тавигдсанаар атомыг цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлд захирагдах, сонирхолтой квант бүтэцтэй болохыг баталгаатай тодорхойлсон. Атомын энэ бүтцэд тайлбарлаж чадаагүй сонирхолтой үзэгдэл, зөрчил дутагдлууд гарч байсан. Эдгээрийн нэг нь цөмийн бета задрал юм. Бета задралыг тайлбарлахдаа эрдэмтэд сул харилцан үйлчлэл гэх шинэ ойлголтыг шинжлэх ухаанд оруулж ирсэн байдаг. Энэ нь өчүүхэн бага зайд өрнөдөг, бидний бие мэдэрч чадахгүй хүчийг илэрхийлнэ. Атомын эл бүтцэд өөр нэг сонирхолтой зөрчил байсан нь нэмэх цэнэгтэй протонууд түлхэлцэн салалгүй хоорондоо наалдан атомын цөмийг үүсгэж байсан явдал юм. Энэ нь бидэнд хүчтэй харилцан үйлчлэл гэх цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэл, сул харилцан үйлчлэл мэтээс илүү их хүч судлагдаагүй оршин байгааг таниулсан.
Одоо бид эгэл бөөмс өөр өөрсдийн хуулиар тодорхойлогдох хүчтэй, сул, цахилгаан-соронзон гэсэн гурван харилцан үйлчлэлийн хүчний үйлчлэл доор атомаас аварга одод хүртэл бүх материйг үүсгэж, таталцлын хүч биднийг дэлхий дээр тогтоон, орчлон ертөнцийг хөдөлгөж байгаа гэдгийг тодорхойлоод байна. Физикт таталцлын хүчийг Эйнштейний харьцангуйн ерөнхий онолоор, бусад харилцан үйлчлэлүүдийг нэгтгэн стандарт загвараар судалдаг. Стандарт загвар нь сул болон цахилгаан-соронзон харилцан үйлчлэлүүдийг нэгтгэсэн квант цахилгаан-сул, хүчтэй харилцан үйлчлэлийг судалдаг квант хромодинамик хоёр онолыг нэгтгэсэн ерөнхий онол юм. Энэ нийтлэлээр квант хромодинамикийн хүрээнд хүчтэй харилцан үйлчлэлд өртдөг эгэл бөөмс, тэдгээрийн сонирхолтой шинж чанарын талаар энгийн үгсээр ерөнхий ойлголт өгөхийг зорилоо. Үүний тулд эгэл бөөмсөөс квант хромодинамикийн үүсэл хөгжлийг үе шаттайгаар товч тодорхойлох болно.
Эгэл бөөмс
ХХ зууны дундаас эрдэмтэд атомын бүрдэл хэсгүүд, цөмийн задралын бүтээгдэхүүнүүдээс эрс ялгаатай эгэл бөөмс бүртгэсэн тухайгаа мэдээлж эхэлсэн байдаг. Хожим технологийн дэвшлээр бөөмийн хурдасгуур бүтээснээс хойш тэдгээр бөөмсийн тоо хэдэн зууд хүрсэн. Эдгээр эгэл бөөмсийг онцлог шинжүүдээр нь лептон, мезон, барион гэсэн гурван бүлэгт ангилна. Лептон нь ихэвчлэн масс багатай, хагас (1/2) спинтэй[1], хүчтэй харилцан үйлчлэлд өртдөггүй бөөмс ба энэ бүлэгт электрон, мюон, тау, гурван төрөл нейтрино орно. Мезон нь ихэнх тохиолдолд бүхэл (0, 1) спинтэй бөөмс байх ба каон, пион зэрэг бөөмс багтана. Барион нь ихэвчлэн хүнд, бүхэл хагас (1/2, 3/2, гэх мэт) спинтэй, бидний сайн мэдэх протон, нейтроноос эхлээд лямбда, дельта гэх мэт хэдэн зуун төрөл байна. Мезон болон барионыг адрон гэсэн нэг бүлэгт авч үзнэ. Адроны гол шинж нь тэд хүчтэй харилцан үйлчлэлд өртдөг. Иймд бид адронуудын талаар цаашид илүү дэлгэрэнгүй авч үзнэ. Бүх бөөмсийн хувьд цэнэг нь эсрэг масс болон спин нь адил бөөм байх ба тэдгээрийг анти бөөм гэнэ. Анти бөөмийн жишээ гэвэл электрон, түүний анти бөөм болох позитрон хоёр байна. Тухайн эгэл бөөм нь анти бөөмтэйгөө үйлчлэлцсэнээр устаж эсвэл шинээр хосоороо үүсдэг. Мөн байгалийн дөрвөн хүчний аль нэгд харгалзах, энерги, импульс, цэнэг зэргийг нэг бөөмөөс нөгөөд зөөдөг зөөгч бөөмс гэж байна. Цахилгаан-соронзон харилцан үйлчлэл зөөгч бөөмийг фотон, сул харилцан үйлчлэл зөөгч бөөмсийг W болон Z вектор бозон, таталцлын хүчний зөөгч бөөмийг гравитон гэнэ.
Эрдэмтэд ийнхүү илрүүлсэн нийт эгэл бөөмсийнхөө онцлог шинжүүдийг таньж, системчилсний дараа адронуудын дотоод бүтцийг судалж, адронууд хүчтэй харилцан үйлчлэлээр холбогдсон кварк гэдэг бөөмсөөс бүтдэг гэж дүгнэв. Анх энэ санааг Муррей Гейл-Ман, Жорж Звейг нар 1963 онд дэвшүүлсэн. Энэ нь тухайн үед илрүүлээд байсан адронууд up, down, strange гурван төрөл буюу амт (flavor) -тай, хагас спинтэй кваркуудаас бүтдэг гэсэн санаа байсан. Энэ гурван кварк нь дараа нь илэрсэн зарим адроны бүтэц, шинжийг бүрэн тайлбарлаж чадахгүй байсан учир өөр төрөл кваркууд оршин байгаа гэж дүгнэхэд хүргэсэн. Харин одоогоор олдсон адронуудын бүтцийг бид зургаан төрлийн кваркаар бүрэн тайлбарлаад байна [2]. Тэдгээрийн шинж чанарыг Хүснэгт 1. -ээс харж болно. Бүх эгэл бөөм анти бөөмтэй байсан шиг бүх кварк анти кварктай. Барионууд нь гурван кваркаас, мезонууд кварк анти кваркаас тогтдог. Зарим нэг бөөмсийн кварк бүтцийг Хүснэгт 2. -д харууллаа.
Хүснэгт 1. Кваркуудын төрөл онцлог шинж
Хүснэгт 2. Зарим адроны кварк бүтэц
Хүснэгт 2 -д тодруулсан дельта барионы кварк бүтцээр илэрхийлэгдэх цэнэг, масс зэрэг физик хэмжигдэхүүнүүдийн тоон утга туршилтаар тодорхойлсон тоон утгуудтай тохирч байна. Бүрдүүлж байгаа аль ч хоёр кваркийг хооронд нь солиход дельта барионы шинж чанарт өөрчлөлт орохгүй байна. Үүнийг физикт кваркуудын дотоод шилжилтэд дельта бөөм симметр байна гэж хэлнэ. Симметр шинжтэй бөөмсийг бозон гэнэ. Нөгөө талаас 3/2 бүхэл хагас спинтэй бөөмсийг фермион гэж нэрлэнэ. Фермионууд нь анти симметр буюу симметрийн эсрэг шинжийг агуулна. Үүнээс харахад дельта барион нь бозон болон фермионы шинж чанарыг хоёуланг нь агуулж байна [3]. Ийм байх боломжгүй эсвэл кварк нь масс, цахилгаан цэнэг гэдэг шиг бидний мэдэхгүй шинэ физик шинжийг агуулж байж болох юм. Энэ шинжийг Гейл-Манн өнгө гэсэн шинэ ойлголтоор төлөөлүүлэн шийдсэн байна. Тэрээр бүх төрлийн кварк улаан, хөх, ногоон гурван шинж (өнгө) -ийн аль нэгийг агуулдаг ба анти кварк анти өнгөтэй байдаг гэж үзжээ. Үүнийг Зураг 3a. -аас харж болно. Барионуудыг өнгөнд антисимметр гэж үзвэл, дельта барионы хувьд бүрдүүлж байгаа гурван кварк гурван өөр өнгөтэй гэж үзэхэд өмнөх зөрчил арилсан. Тиймээс кваркийг гурван өөр өнгөтэй зургаан төрөл нийт арван найман янз кварк болон анти кварк нийт гучин зургаан төрөл байгаа гэж үзнэ. Үүнээс цааш кваркууд хоорондоо хүчтэй үйлчлэлээр холбогдон адронуудыг үүсгэж байгаа зүй тогтлыг судалдаг онолын талаар авч үзье.
Зураг 1. b) Кваркийн авч болох өнгөнүүд. a) Өнгөний үйлчлэлийн механизмууд.
Квант хромодинамик
Атомыг электрон болон протоны эгэл цахилгаан цэнэгүүд хоорондоо цахилгаан-соронзон үйлчлэлийн хүчээр холбогдон үүсгэж байдаг шиг кваркууд хоорондоо хүчтэй харилцан үйлчлэлийн хүчээр холбогдон, адронуудыг үүсгэдэг. Иймд цахилгаан цэнэг шиг хүчтэй үйлчлэлийг илэрхийлэх шинж кваркад байдаг болж таарч байна. Өнгө нь хүчтэй харилцан үйлчлэлийн хувьд уг шинжийг илэрхийлнэ. Энэ нь гурван төрөл байдаг учир цахилгаан цэнэгээс илүү төвөгтэй байдаг. Аль нэг өнгө, түүний анти өнгө хоёр цахилгаан цэнэгийн нэмэх, хасах утгатай адилхан бие биенээ татна. Ингэснээр бусад өнгөтэй үйлчлэх хүчтэй харилцан үйлчлэлийг устгана. Өнгө, анти өнгө хоёроос үүсэх энэ системийг өнгөгүй холбоо гэнэ. Үүнээс гадна ижил хэмжээний гурван өөр өнгө эсвэл гурван өөр анти өнгө хоорондоо үйлчилж, бусад өнгөнд үзүүлэх хүчтэй харилцан үйлчлэлийг устгана. Ингэж үүссэн системийг цагаан холбоо гэнэ. Эдгээр үйлчлэлийн механизмуудыг Зураг 1а. -д үзүүллээ. Өнгөний зөвхөн хоёр эсвэл гурван кваркийн хооронд үйлчилж байгаа нь хүчтэй харилцан үйлчлэлийг зөөгч бөөмийн шинж чанартай холбоотой юм аа. Хүчтэй харилцан үйлчлэлийг зөөгч бөөмийг глюон гэнэ. Глюон нь найман төрөл байх бөгөөд өнгийг кваркуудын хооронд зөөх учир тус бүр өөр өөр өнгөтэй байна. Иймд глюонууд хоорондоо хүчтэй үйлчлэлээр үйлчлэлцэнэ. Глюонууд болон кваркуудын хоорондын хүчтэй харилцан үйлчлэлийн динамикийг судалдаг онолыг квант хромодинамик (КХД) гэнэ.
КХД -д чөлөөтэй кваркийн тухай ойлголтыг өргөн хүрээнд судалдаг боловч өнөөдрийг хүртэл чөлөөтэй кваркийг ажиглаж чадаагүй байна. Үүнийг кваркуудын хоорондох хүчтэй үйлчлэлийн потенциал зайнаас хамааран шугаман хуулиар өсдөг учир чөлөөт кваркийг ажиглах боломжгүй гэж тайлбарладаг. Потенциалын энэ өсөлт глюон нь өөр хоорондоо үйлчилдэг шинж чанартай холбоотой юм. Кваркууд бие биенээсээ холдох бүрд хооронд нь үйлчлэл зөөх глюонуудын хүчтэй үйлчлэлийн потенциал энерги улам бүр өссөөр тодорхой зайд кварк, анти кваркийн хос үүсгэж хүрэлцэхүйц их болж, шинэ хос үүснэ Зураг 2. Ингэснээр кваркаас бүтсэн хоёр шинэ систем бий болохоос биш кварк тусгаар бөөм болж ажиглагддаггүй байна. Энэ үзэгдлийг конфайнмент үзэгдэл гэнэ. Конфайнмент үзэгдлийг өөрөөр хүчтэй харилцан үйлчлэл чөдөртэй адилхан шинжтэй гэж хэлж болно. Чөдрөөр морийг тогтсон гурван хөлөөр нь чөдөрлөж, хоёр хөлийн өрөөлддөг. Тэгвэл хүчтэй харилцан үйлчлэлийн улмаас кварк өнгөгүй хослол буюу мезон эсвэл цагаан холбоо буюу барион хэлбэрээр байгаль дээр оршиж байдаг.
Кваркуудыг холдуулаад салгах боломжгүй юм бол ойртуулаад байвал юу болох вэ? Энэ үед хүчтэй үйлчлэлийн потенциал шугаман хуулиар буурсаар кварк, глюоны хооронд хүчтэй харилцан үйлчлэл суларсаар бие биенээ мэдрэхгүй болно гэж КХД тайлбарлана. Энэ үеийн физик судалгааг их энергийн КХД -аар судална. Энэ чиглэлийн судалгаа нь маш өндөр температур, даралт эсвэл маш их энергийн урвалын үед кварк болон глюоноос тогтсон шөл шиг матери үүсэж болохыг харуулдаг. Ийм материйг кварк глюоны плазм (КГП) гэж нэрлэнэ. Үүнийг КХД -ийн материйн төлөвийг илэрхийлэх диаграмм Зураг 3. -аас харж болно.
Зураг 2. Конфайнмент үзэгдэл
Зураг 3. КХД фазын диаграмм
КГП нь байгаль дээр нейтрон одны цөмд байх боломжтой. Мөн их тэсрэлтийн дараах хэдэн миллисекундийн хугацаанд бүх материйн хэлбэр КГП байсан бөгөөд огцом тэлэлтээр нягт, энерги нь багассаар тодорхой критик утгаас эхлэн адронжсон гэж үздэг. Энэ кварк, глюоноос бүтсэн материас адронуудаас бүтсэн материд шилжих шилжилтийг конфайнмент фазын шилжилт гэнэ. Эсрэг шилжилтийг деконфайнмент фазын шилжилт гэнэ. 2015 зургаан сард Европын Цөмийн Судалгааны Төв (CERN)-ийн Аварга Адрон Детекторын (LHC)-ийн компакт ионы детектор дотор деконфайнмент фазын шилжилтийг ажиглаж, КГП гарган авсан. Үүний талаар дэлгэрэнгүй мэдээллийг [4]-аас авч болно.
Зураг 4. Огторгуй цаг хугацааны дөрвөн хэмжээст латтис
Конфайнмент үзэгдэл болж байгаа критик температураас бага энергийн мужийг бага энергийн муж гэнэ. Энэ мужид глюонуудын харилцан үйлчлэл их байх учир КХД -ын онолын тооцоолол хийхэд математик талаасаа төвөгтэй болдог. Иймд бага энергийн тохиолдолд конфайнмент үзэгдлээс эхлээд бүрэн шийдэгдээгүй олон асуудал байсан. Энэ асуудлыг Кенид Вилсон латтис арга хэрэглэн шийдсэн байдаг [5]. Энэ арга нь огторгуй-цаг хугацааг дөрвөн хэмжээст, төгсгөлөг, зүг бүрд адилхан а зайгаар алсалсан тор Зураг 4. -өөр төлөөлүүлэн, кваркийг торын зангилаан дээр, глюоныг холбоос шугамуудын дагуу үйлчлэл зөөдөг гэж физик үйлчлэлийг ойролцоолон, өндөр хүчин чадалтай компьютер ашиглан тооцоолол хийх арга юм. Энэ чиглэлээр судалгаа хийдэг физикийн салбарыг Латтис Квант хромодинамик (ЛКХД) гэнэ.
Ишлэл
[1] Х. Цоохүү, Квант механик, УБ (2012).
[2] Lewis H. Ryder, Quantum Field Theory Cambridge University Press, Cambridge, 10-11 (1996).
[3] Andrew E. Blechman, Coloring the Universe with Quantum Chromodynamics. ebook (2002).
[5] Heinz J. Rothe, Lattice Gauge Theories: An Introduction (2005).
Зохиогч: П.Баттогтох, Ч. Содбилэг
ФТХ, Онолын Физикийн Салбар, Латтис КХД -ийн Лаборатори