Kvant xromodinamikasi (KXD)

Kvant xromodinamikasi (KXD) – kuchli oʻzaro taʼsirlarni tushuntiruvchi nazariya boʻlib, u kvant maydon nazariyasi asosida kvarklar va glyuonlar bilan bogʻliq jarayonlarni tasvirlaydi. Ushbu kuch elementar zarrachalar orasidagi eng kuchli oʻzaro taʼsirdir. U yadro ichidagi zarrachalarni birlashtirib turadi. KXD kvant elektrodinamikasining muqobil varianti boʻlib, u elektromagnit oʻzaro taʼsirlarni tushuntiradi. Va shu kabi taʼsiri katta yadro kuchlar uchun asosiy tushunchalarni beradi.

Mazmuni

1970 – yilgacha elementar zarralar fizikasida real voqeʼlikning yanada chuqur va aniq manzarasi namoyon boʻlgandi. Olimlar bu paytgacha , protonlar va neytronlarni oʻzaro bogʻlab turuvchi va fanda „kuchli yadroviy oʻzaro taʼsir“ deb nomlanuvchi fizik hodisa uchun tuzukroq izoh topa olishmagan. 1970 – yilga kelib esa, protonlar va neytronlar yanada kichik elementar zarralardan tashkil topganligi maʼlum boʻldi. Bu zarralarga Kvarklar deb nom berilgan. Kvarklar – elektr zaryadining tashuvchisi hisoblanadi. „Rang“ deb nom berilgan yana bir zaryad turini ham kvarklar tashiydi (aslida, kvarklarning qandaydir rangini bildirmaydi, bu shunchaki nom xolos). „Rang“ tushunchasi bu – kvarklarni bir-biri bilan oʻzaro guruhlarga birlashtiradigan turli xil kuchlarning xarakterini ifodalanishidir. Kvarklarning turli „ranglar“ bilan oʻzaro guruhlanishidan protonlar va neytronlar, yaʼni atomlarning yadrolari hosil boʻladi. „Rang“ni tashish uchun xizmat qiladigan zarrachalarning oʻzaro taʼsirlashish mexanizmlari haqidagi relyatvistik kvant nazariyasi – „kvant xromodinamikasi“ deyiladi. Odatda u ilmiy manbalarda qisqacha qilib „KXD“ tarzida yoziladi. KXD nazariyasi ham, elektr zaryadiga ega zarrachalar va yorugʻlik oʻrtasidagi oʻzaro taʼsirni izohlab beruvchi – kvant elektrodinamikasi (KED) nazariyasi bilan oʻzaro oʻxshashdir. Yorugʻlikning oʻzi ham zarrachalardan, yaʼni, fotonlardan tashkil topgan deb taʼriflanadi. KXD ham, „rang“ tashuvchi zarrachalar va glyuonlar orasidagi oʻzaro taʼsirlarni shunga oʻxshash tarzda bayon qiladi. Biroq, fotonlarning elektr zaryadiga ega boʻlmasligini va oʻzaro bir-biridan mustaqil ravishda harakatlanishini inobatga olsak, glyuonlarning ulardan yaqqol farqi namoyon boʻladi. Yaʼni, glyuonlar „rang“ zaryadiga ega boʻladi va harakatlanish vaqtida bir-biri bilan oʻzaro bogʻliq holda oʻzaro taʼsirlashadi. Shu sababli ham, KXD nazariyasida bayon qilinadigan kuchlarni KED nazariyasida izohlanadigan elektromagnit kuchidek oson tushunib boʻlmaydi. Bu kuchlar oʻzini bir muncha boshqacha tutishi bilan murakkabroqdir.

Tarixi

1940-yillarda Yukava Hideki protonlar va neytronlar oʻrtasidagi kuchlarni izohlash uchun mezonlarni taklif qildi. Bu tadqiqot uchun Yukava Nobel mukofotiga sazovor boʻldi, biroq kuchli oʻzaro taʼsirning toʻliq mexanizmi hali tushuntirilmagan edi. 1960-yillar oʻrtalari: Kvark modeli dastlab Murray Gell-Mann va George Zweig tomonidan 1964 – yilda kiritilgan. Bu kashfiyot zarrachalar fizikasi sohasida yangi bosqichni boshlab berdi. Gell-Mann tomonidan kiritilgan kvark gʻoyasi, barionlar va mezonlar (ikki asosiy zarracha oilalari) tuzilishini tushuntirish uchun ishlatilgan. 1960-yillarning oxiri va 1970-yillarning boshida fiziklar kuchli oʻzaro taʼsirlarni chuqurroq oʻrganishga kirishdi. Oscar Greenberg 1964-yilda rang zaryadi tushunchasini kiritdi, bu orqali kvarklarning uch xil kvant holatini (qizil, yashil, koʻk) koʻrsatdi. Bu ranglar kvarklar oʻrtasidagi kuchli oʻzaro taʼsirlarni tushuntirishda muhim rol oʻynaydi. Rang zaryadi kvant elektrodinamikadagi elektromagnit zaryadning kuchli oʻzaro taʼsir analogi hisoblanadi. 1972–1973 yillar: David Gross, Frank Wilczek va David Politzer asimptotik erkinlikni kashf etdilar, bu esa kuchli oʻzaro taʼsirning qisqa masofalarda zaiflashishini koʻrsatdi. Bu natija kuchli oʻzaro taʼsirlarning fizik xususiyatlarini chuqurroq tushunishga imkon berdi. 1975-yil: KXD nazariyasi mukammal shaklga ega boʻldi. Glyuonlarning mavjudligi esa eksperimentlar orqali tasdiqlandi.

Eksperimental tasdiqlanish

1970-yillarning oxiri va 1980-yillarda KXD nazariyasi mukammallashdi va bir qator amaliy sinovlardan oʻtdi. 1979-yilda Petra tezlatgichida glyuonlarning mavjudligi tajriba orqali tasdiqlandi. Uchta kvark bilan bitta glyuonning birgalikdagi kuchli oʻzaro taʼsirlarini oʻlchashga muvaffaq boʻlishdi. KXDning yutuqlari koʻplab tadqiqotlar orqali isbotlangan. Masalan,Kuchli noelastik tarqalish (KNT) tajribasi orqali proton va neytronlarning ichki tuzilmasini oʻrganish va kvarklar bilan bogʻliq jarayonlarni aniq oʻlchash mumkin boʻldi. Bu tajribalarda kuchli kuchlarning taʼsiri kuzatilib, kvarklar va glyuonlar mavjudligi tasdiqlandi.

KXDning Toʻrli yondashuvi

1980-yillarda KXDning sonli qiymatlari uchun yangi usullar rivojlantirildi. Toʻr KXD usuli kvant xromodinamikasidagi murakkab matematik hisoblashlarni kompyuter yordamida bajarish imkonini berdi. Bu usul kuchli oʻzaro taʼsirlarni yanada aniqroq tushunishga va yadro fizikasi boʻyicha yutuqlarga olib keldi.

Nobel mukofoti va KXDning rasmiy tan olinishi

2004-yilda David Gross, Frank Wilczek va David Politzer asimptotik erkinlik tushunchasini kashf qilishgani uchun Nobel mukofotiga sazovor boʻlishdi. Ularning kashfiyotlari kuchli oʻzaro taʼsirlar, kvarklar va glyuonlarning xatti-harakatlari haqida yangi tushunchalarni berdi. Bu ilmiy tadqiqotlar KXDning nazariy asoslarini mustahkamladi.

Hozirgi qarashlar

Bugungi kunda KXD zarracha fizikasi va kosmologiyada asosiy nazariyalardan biri hisoblanadi. U katta portlashdan keyingi kvark-glyuon plazmasi holatini tushunishda muhim rol oʻynaydi. Shuningdek, KXD neytron yulduzlari va boshqa koʻplab astrofizik hodisalarni izohlashda qoʻllanadi. KXD nazariyasini yanada chuqurroq tushunish uchun tezlatgichlar va toʻqnashuv eksperimentlari, jumladan, Katta Adron Kollayderi (KAK) kabi texnologiyalar qoʻllanilmoqda. Bu tajribalar KXDni yanada rivojlantirish va yangi zarrachalar kashf etish uchun imkoniyat yaratadi.

Oʻrganish usullari

Perturbativ KXD

Perturbativ KXD(Tashqi aralashuvga asoslangan)– bu perturbatsion nazariya asosida yaratilgan yondashuv boʻlib, kuchli oʻzaro taʼsirlarni yuqori energiyalarda oʻrganishga imkon beradi. Ushbu usulda kuchli oʻzaro taʼsirlarning zaif boʻlgan energiya sohalarida hisob-kitoblar amalga oshiriladi, chunki yuqori energiyalarda kvarklar va glyuonlar oʻzaro zaifroq taʼsir qiladi. Bu asimptotik erkinlik hodisasi bilan bogʻliq boʻlib, kuchli oʻzaro taʼsir qisqa masofalarda zaiflashadi. Perturbativ KXD Feynman diagrammalaridan foydalanib hisoblanadi. Feynman diagrammalar orqali kvarklar va glyuonlarning oʻzaro taʼsirlarini vizual tasvirlash mumkin. Ushbu metod zarrachalarning yuqori energiyalarda qanday tarqalishini va bosimga qanday taʼsir qilishini tushuntirishga imkon beradi.

Qisqarish va buzilishsiz metodlar

Konfaynment (qisqarish) – kvark va glyuonlar mustaqil holatda kuzatilmasligini anglatadigan hodisa, u KXDning murakkab jihati hisoblanadi. Kvarklar kuchli kuchlar bilan bogʻlangan va faqat adronlar shaklida mavjud boʻlishi mumkin. Konfaynment hodisasi buzilishsiz (non-perturbativ) usullar yordamida oʻrganiladi, chunki perturbativ hisob-kitoblar past energiyalarda ishlamaydi. Buzilishsiz metodlar KXDda kuchli oʻzaro taʼsirlar taʼsirida kvarklar va glyuonlarning oʻzaro bogʻlanishini oʻrganadi. Bunda Toʻrli KXD kabi kompyuter simulyatsiyalari va boshqa matematik usullar qoʻllanadi.

Toʻrli KXD

Toʻrli KXD kvant xromodinamikasining sonli hisoblash usuli hisoblanadi. Bu metod kvarklar va glyuonlarning oʻzaro taʼsirini modellashtirish uchun fazoni toʻrga boʻlib, vaqt va fazoni discret (yaʼni, uzluksiz emas, uzilgan holda) koʻrib chiqadi. Bu usul KXDning non-perturbativ tomonlarini oʻrganish uchun ishlatiladi va kuchli oʻzaro taʼsirlar natijasida yuzaga keladigan kvark-glyuon plazma, adronlarning xossalari kabi murakkab jarayonlarni hisoblashda yordam beradi. Toʻrli KXD kompyuter simulyatsiyalariga asoslanadi va yuqori aniqlikdagi hisob-kitoblarni amalga oshirishga imkon beradi. Bu usul orqali proton va neytron kabi zarrachalarning massasi, kvarklar va glyuonlar oʻrtasidagi oʻzaro taʼsirlar, kuchli oʻzaro taʼsirlarning asosiy xususiyatlari haqida chuqurroq tushunchalar hosil qilish mumkin.

Katta energiyali tajribalar

KXDni tasdiqlash va kuchli oʻzaro taʼsirlarni oʻrganish uchun eng muhim tajribalardan biri bu kuchli noelastik tarqalish(KNT) tajribasi hisoblanadi. Ushbu tajriba zarrachalarning ichki tuzilishini oʻrganish uchun zarrachalarni yuqori energiyali elektronlar bilan bombardimon qilishga asoslanadi. KNT tajribalarida proton va neytronlar ichidagi kvarklar va glyuonlarning mavjudligi tasdiqlangan. KNT tajribalari kvarklar va gluonlar oʻrtasidagi kuchli oʻzaro taʼsirlarni oʻlchashga yordam beradi. Ushbu tajribalar kvarklarning fazodagi taqsimlanishini, ularning energiyasi va ayni shu damdagi harakatlarini aniqroq tushuntiradi.

Adron kollayderlari

Aadron kollayderlari KXDni tajribaviy jihatdan oʻrganish uchun muhim vositalardan biri hisoblanadi. Eng mashhur kollayderlardan biri Katta Adron Kollayderi (KAK) boʻlib, u protonlar va boshqa zarrachalarni juda katta energiyada toʻqnashtiradi. Ushbu toʻqnashuvlar kvarklar va glyuonlarning oʻzaro taʼsirlarini oʻrganish, yangi zarrachalarni kashf qilish va kuchli oʻzaro taʼsirlarni chuqurroq tushunishga yordam beradi. Olimlarga glyuonlar va kvarklarning yuqori energiyali hodisalardagi oʻzaro taʼsirlari, yangi adronlarning hosil boʻlishi va kvark-glyuon plazma kabi jarayonlarini kuzatish imkoniyatini adron kollayderlari va boshqa tezlatgichlar bera oladi.

Kvark-Glyuon plazma

KXDning eksperimental tasdiqlaridan biri bu kvark-glyuon plazma deb nomlanuvchi yangi materiya holatini kashf etishdir. Bu holat yuqori energiyali toʻqnashuvlarda, masalan, katta tezlatgichlarda proton yoki boshqa ogʻir ionlarni bir-biriga urish orqali hosil qilinadi. Kvark-glyuon plazma haddan tashqari yuqori haroratda kvarklar va glyuonlarning erkin holatda harakatlanishini bildiradi, bu esa kuchli oʻzaro taʼsirlarning asimptotik erkinlik hodisasiga bogʻliq. Kvark-glyuon plazma kashfiyoti KXD nazariyasini tasdiqlash uchun muhim ahamiyatga ega, chunki bu katta portlashdan keyingi ilk daqiqalarda mavjud boʻlgan materiyaning bir holatidir.

Tajribalar

Petra Tajribasi

1979-yilda Petra tezlatgichida oʻtkazilgan tajribalarda glyuonlarning mavjudligi ilk bor kuzatildi. Ushbu tajribada uchta kvark va bir glyuonning kuchli oʻzaro taʼsiri kuzatilib, KXD nazariyasining glyuonlar haqidagi bashorati tasdiqlandi.

Tevatron va Katta Adron kollayderlari

Tevatron va Katta Hadron Kollayderi (KAK) kabi tezlatgichlarda oʻtkazilgan tajribalar kvarklar va glyuonlar oʻrtasidagi oʻzaro taʼsirlarni oʻrganishga yordam berdi. Bu tajribalarda kvark-glyuon plazma hosil qilindi, glyuonlarning mavjudligi tasdiqlandi va yangi zarrachalar kashf etildi. KAKda oʻtkazilgan tajribalarda protonlar va ogʻir ionlar yuqori energiyalarda toʻqnashadi, bu esa KXD nazariyasining keng doirada sinovdan oʻtishini taʼminlaydi.

SLTM Tajribalari

SLTM(Stanford chiziqli tezlatgich markazi) laboratoriyasida oʻtkazilgan kuchli noelastik tarqalish tajribalari proton va neytronlarning ichki tuzilishini aniqlashga yordam berdi. Bu tajribalar kvarklarning mavjudligini tasdiqladi va KXDning asosiy tamoyillarini mustahkamladi.

Terminologiya

Kvark

Kvarklar elementar zarrachalar bo‘lib, ular kuchli o‘zaro ta’sirda ishtirok etuvchi asosiy komponentlar hisoblanadi. Kvarklar proton va neytronlar kabi hadronlarni tashkil qiladi. Kvarklar oltita turga bo‘linadi: yuqori kvark, pastki kvark, g‘alati kvark, jozibador kvark, eng quyi kvark, va eng yuqori kvark.

Glyuon

Glyuonlar kvarklar orasida kuchli kuchni tashuvchi zarrachalardir. Glyuonlar rang zaryadiga ega bo‘lib, ular kvarklar o‘rtasida kuchli o‘zaro ta’sirlarni ta’minlaydi.

Rang Zaryadi

Kvant xromodinamikada rang zaryadi elektromagnit zaryadning analogidir. Kvarklar uch xil rang zaryadiga ega bo‘ladi: qizil, yashil va ko‘k. O‘zaro ta’sir kuchli kuchlar orqali glyuonlar tomonidan uzatiladi.

Konfaynment

Konfaynment(cheklanish) – bu kvarklar va glyuonlar faqat bog‘langan holda (adronlar ichida) mavjud bo‘la olishini anglatadi. Kvarklar hech qachon mustaqil ravishda kuzatilmaydi. Bu KXDning asosiy tamoyillaridan biridir.

Asimptotik Erkinlik

Asimptotik erkinlik – qisqa masofalarda yoki katta energiyalarda kuchli o‘zaro ta’sirlarning zaiflashishini anglatadi. Bu hodisa KXDning muhim xususiyatlaridan biridir.

Adron

Adronlar kuchli o‘zaro ta’sir orqali bir-biriga bog‘langan kvarklar to‘plamidir. Proton va neytronlar adronlarning asosiy turlariga kiradi.

Mezon

Mezons – bir kvark va bir antikvarkdan tashkil topgan zarrachalardir. Ular ham kuchli o‘zaro ta’sirda ishtirok etadi.

Barion

Barionlar uch kvarkdan tashkil topgan zarrachalardir. Proton va neytron – barionlarning eng taniqli vakillaridir.

Kvark-Glyuon Plazmasi

Bu juda yuqori harorat va energiya sharoitlarida paydo bo‘ladigan holat bo‘lib, unda kvarklar va glyuonlar erkin harakat qiladi. Bu holat katta portlashdan keyin, koinotning ilk bosqichlarida mavjud bo‘lgan.

Chuqur Inelastik Tarqalish

Bu tajribaviy usul kvarklarning adronlar ichidagi harakatini o‘rganishga mo‘ljallangan.

Kuchli O‘zaro Ta’sir

Kuchli o‘zaro ta’sir – bu kvarklar va glyuonlar o‘rtasidagi kuchli kuchlarni ta'riflaydi. Bu kuchlar atom yadrosini birgalikda ushlab turadi.

Kalibrovka Nazariyasi

Kalibrovka nazariyasi kvant xromodinamikasining asosiy matematik bazasini tashkil etadi. Bu nazariya simmetriya guruhlari va ularning o‘zaro ta’sirlarini tushuntiradi.

To‘r KXD

Bu KXDni kompyuter yordamida simulyatsiya qilish uchun ishlatiladigan usul bo‘lib, kuchli o‘zaro ta’sirlarni sonli hisoblash imkonini beradi.

Feynman Diagrammasi

Feynman diagrammasi kvant maydon nazariyasida zarrachalar o‘rtasidagi o‘zaro ta’sirlarni grafik tarzda tasvirlash uchun ishlatiladi.

Renormalizatsiya

Renormalizatsiya – bu KXD kabi kvant maydon nazariyalaridagi cheksizliklarni olib tashlash usuli. Bu usul matematik jihatdan nazariyani barqaror va prognoz qilinadigan holatga keltiradi.

Kirallik Simmetriyasi

Kirallik simmetriyasi – bu kvarklar massasi nolga teng bo‘lgan holatda mavjud bo‘ladigan simmetriya. Ushbu simmetriya KXDning muhim qirralaridan biridir.