2020/05/20

302. Кварк-лептон-бозон бүхий эгэл бөөмсийн стандарт загвар

1932 онд Эрнест Уолтон, Жон Дуглос Кокрофт нар Кембриджид баригдсан анхны хурдасгуурыг ашиглан литийн цөмийг хурдасгасан протоноор мөргөлдүүлэх үед байгаль дээр оршин тогтнодоггүй шинэ бөөмс үүсэж буйг олж нээжээ. Энэ нь эгээ л 2 цагийг хооронд нь мөргөлдүүлээд салж унасан үлдэгдлүүдийг нь цуглуулж аваад цаг хэрхэн ажилладаг болохыг тогтоох лугаа үйл явдал болжээ.


Хурдасгуурын хүчин чадлыг нэмэгдүүлэх бүрд шинэ шинэ бөөмс төрж байв. 1953 он гэхэд хурдасгуурын хүчин чадлыг нэмэгдүүлэх замаар 100 гаруй бөөмсийг нээв. Эдгээр бөөмс нь ихэнхдээ маш богино хугацаанд оршин байгаад эргэн задрах бөгөөд задрах явцад ч зарим нэг шинэ бөөмсийг үүсгэж буйг илрүүлэв. Ийнхүү цөөхөн жилийн дотор бөөмсийн тоо хэдэн зууд хүрсэн нь тэднийг ангилах шинэ асуудлыг гарган ирсэн болно.


1960-аад онд бөөмсийг байгаль дээрх үндсэн 4 хүчний үйлчлэлийг хэрхэн мэдэрч оролцож буй байдлаар нь ангилсан болно. Бүх масстай бөөмс татах хүчийг мэдэрч оролцоно. Цахилгаан цэнэгтэй бөөмс нь цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлд оролцоно. Харин маш богино зайд үйлчилдэг цөмийн харилцан үйлчлэлд оролцож буй бөөмсийг адронууд, цөмийн харилцан үйлчлэлд оролцдоггүй боловч бөөмсийн аяндаа задралд чухал үүрэгтэй оролцдог бөөмсийг лептонууд хэмээн нэрлэжээ.


Гель-Манн буддын шашинд хэрэглэгддэг Найман мөрт зам хэмээх сургаалыг наргиан болгон ашиглаж бөөмсийг найм, наймаар нь ангилж яг л Менделеевийн хүснэгт шиг хүснэгтэд багтаав. Ингэхдээ адронуудын тоо хэтэрхий олон тул тэдгээрийг ердөө гурван жижиг хэсгээр угсарч болно хэмээн үзэж адронуудын тоог эрс цөөлчихсөн юм. Гель-Манн угаас наргиант зантай хүн тул эдгээр жижиг хэсгээ кварк хэмээн Жэймс Жойсын “Финнеган маягаар дурсахуй” зохиолд гардаг өөрийн дуртай мөрнөөс ишлэл татаад нэрлэчихсэн болно.


Ийм санааг сэдсэн хүн нь ганц Гель-Манн байсангүй. 1964 онд Георг Цвейг өөрийн “тамга” хэмээн нэрлэсэн дөрвөлүүдийг ашиглаж адронуудыг угсарч болохыг харуулсан юм. Гэвч тодорхой бус шалтгаанаар ЦЕРН-ийн “Физикийн захидлууд” сэтгүүл Цвейгийн өгүүллэгийг нийтлэхээс татгалзсан мөртлөө дараа жил мөн ижил санаа агуулсан Гель-Манны өгүүллэгийг хэвлэсэн юм. Гэхдээ уг өгүүллэгийг нийтэлсэн нь түүнийг зөв гэсэндээ ч бус зүгээр бөөмсийг цэгцлэх шинэ санаа сэдэж буйг танилцуулах гэсэн хэрэг болов уу. Учир нь Гель-Манн өөрөө ч кварк бол математикийн санаа хэмээн үзэж байсан учраас л тэрээр кваркад -1/3, +2/3 зэрэг бутархай цэнэгийг зоригтойгоор олгосон болно. Тухайн үед хүлээн зөвшөөрөгдсөн онолын хүрээнд бутархай цэнэгтэй байх асуудал нь утгагүй зүйл байлаа.


Гэвч дараахан нь Гель-Манны хүснэгтэд байх ёстой хэмээн таамагласан омега бөөмс үнэхээр оршин байдаг нь Нью-Йорк дахь Брүүкхэйвний Үндэсний Лабораторид нээгдсэн явдал Гель-Манны таамаглал зөв байж хэмээн алдаршихад хүргэв. 1967-1973 онд Стэнфордын шугаман хурдасгуур дээр протоныг хурдасгасан электроноор нэвт гэрэлтүүлэх үед протон гурван бөөмсөөс тогтсон бүтэцтэй болох нь батлагдаж Гель-Манны онол сая бүрэн батлагдсан юм.
Өнөөдөр Гель-Манны хүснэгтийг ашигладаггүй бөгөөд Гель-Манн өөрөө ч онолч нарт тулгуур хуулийг олоход “үзэг, цаас, хогийн сав гурав л хангалттай бөгөөд сүүлийнх нь илүү чухал” хэмээн хошигнон хэлсний дагуу өнөөдөр түүний онол агуулахад тоосон дунд хэвтэх тавилантай болсон юм. Гэхдээ Гель-Манны хүснэгт эгэл бөөмсийг ангилах стандарт загварыг бий болгоход чухал нөлөө үзүүлсэн билээ.


Стандарт загвараар эгэл бөөмс нь материйг бүрдүүлэгч фермионууд ба харилцан үйлчлэлийг дамжуулагч бозонууд хэмээн хуваагдана. Фермионуудыг цааш нь кваркууд болон лептонууд хэмээн хуваана. Кваркууд нь цөмийн харилцан үйлчлэлд оролцдог адронууд хэмээх бөөмсийг бүрдүүлнэ. Гурван кварк нэгдэж барионуудыг үүсгэх бол кварк ба антикварк хоёр нэгдэж мезонуудыг үүсгэнэ. Гель-Манн наргианч хүн байсан болохыг мартаж болохгүй, учир нь Гель-Манн ердөө 3 кварк ашиглаж бүх адронуудыг угсарч болно хэмээн харуулсан бол удалгүй шинээр нээгдсэн бөөмсийг угсрахын тулд өөр 3 кварк хэрэг болсон ба тэдгээр 3 кваркийг үзэсгэлэнтэй, гайхалтай, сэтгэл татам хэмээн нэрлэсэн нь дараа үеийн физикчид ч Гель-Маннаас дутахгүй хошигнох авьяастайг харуулна.


Хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцдог кваркуудын тоо 6-д хүрсэн тул сул харилцан үйлчлэлд оролцдог лептонуудын тоо ч мөн 6 байх шаардлагатай (тэгшхэм). Тэгшхэм бол угаасаа гайхалтай бөгөөд үнэхээр 6 лептон олдсон юм. Тухайн үед 5 лептон байсан ч 6 кварк байгаа бол мөн 6 байх ёстой, нөгөө талаар лептон нь электрон, электроны нейтрино, мюон, мюоны нейтрино, тау гэж байсан учраас мөн тауны нейтрино гэж байх ёстой хэмээн таамаглаад тау нейтриног олсон юм.

Ингээд харилцан үйлчлэлийг зөөгч 5 бозонууд, үүнд цөмийн буюу хүчтэй харилцан үйлчлэлийг зөөгч глюон, сул харилцан үйлчлэлийг зөөгч W ба Z бозонууд, цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлийг зөөгч фотон, гравитацын буюу таталцлыг зөөгч гравитон нар болно. Бозоны тоо 5 байгаа нь тэгшхэмд шууд харшилсан учраас бас л 6 байх ёстой гээд 6 дахь бозоныг Хиггс бозон гэж нэрлэсэн юм. Бозонуудын хувьд 2 бозонд асуудал байлаа. 1-рх нь таталцлыг зөөдөг гравитон байдаг эсэх нь нээгдээгүй, нөгөө нь эгэл бөөмсөд масс олгоод байгаа Хиггс бозон үнэхээр байдаг эсэх гэсэн асуулт байв. Өөрөөр хэлбэл яг бодитоор нээгдсэн ердөө 4 бозон, үлдсэн 2 нь таамаглал байв. Гэвч 2012 онд Хиггс бозоныг, 2016 онд гравитоныг нээснээр стандарт загвар сая бүрэн болсон юм. Ингэхэд Стивэн Хокинг Хиггс бозоныг олдохгүй хэмээн 100 доллароор мөрий тавьсан байдаг юм.

Ингээд стандарт загвар нь 6 кварк, 6 лептон, 6 бозон гэсэн маш цомхон загвараар эцэст нь бүрдэж дууссан болно.

Бозонуудын зарим нь масстай (W ба Z бозон) байхад зарим нь массгүй (фотон, глюон) байгаа нь нь олон эрдэмтдийг гайхшруулж байлаа. Үүнээс гадна цөмийн хурдасгуурын үед янз бүрийн харилцан адилгүй масстай бөөмс төрж байсан нь масс гэж чухам юу вэ? гэж гэсэн асуулт гарч ирэх үндэс болжээ. 1964 онд Питер Хиггс тэргүүтэй 6 физикч “аяндаа эвдрэх тэгшхэм”-ийн онолоо боловсруулж байх үедээ яагаад W ба Z бозонууд масстай, яагаад фотон, глюон массгүй байгааг тайлбарлажээ. Ингэхдээ бөөмсөд масс олгодог Хиггс хэмээх тусгай бозоны улмаас бөөмс масстай болдог гэж үзсэн юм. Аяндаа эвдрэх тэгшхэмийн онол нь сул харилцан үйлчлэлийг тайлбарласан цоо шинэ онол учраас уг онолыг батлахын тулд Хиггс бозоныг нээх явдал чухал байлаа.

Хиггс бозоныг хайж олох ажил нь Адроны Их Хурдасгуур болох LHC хурдасгуур хэмээх дэлхий дээрх хамгийн том хурдасгуурыг барих шинжлэх ухааны нүсэр төслийг хэрэгжүүлэхэд хүргэсэн юм. Энэ хурдасгуурын тойргийн урт нь 27 км бөгөөд газрын гадаргаас 100 м дор дэлхийн гүнд байрладаг үлэмж том протоны хурдасгуур болно. Уг хурдасгуур бүрэн хүчин чадлаараа ажиллах үед Их тэсрэлтийн дараах үеийн өндөр энерги үүсгэж чадах ба энэ үед үүсэх тэрбум мөргөлдөөн бүрд нэг Хиггс бозон үүсэх онолын тооцоо байдаг. Олон жилийн уйгагүй ажлын үр дүнд 2012 онд Хиггс бозоныг нээсэн нь 2012 оны хувьд шинжлэх ухааны хамгийн том нээлт болсон юм.

2012 онд Хиггс бозоныг нээснээс дутуугүй үйл явдал 2016 онд тохиосон нь таталцлын харилцан үйлчлэлийг зөөгч бозон болох гравитоныг нээсэн явдал байлаа. Их тэсрэлт болсны дараахан үүссэн гравитацын долгион сансрын хэт богино дэвсгэр долгион дотор мэдэгдэхүйц ул мөрөө үлдээсэн байх ёстой гэсэн урьдчилсан таамаглалын дагуу гравитоныг хайсан юм. Ийнхүү өөр нэг сүр дуулиантай шинжлэх ухааны төсөл хэрэгжүүлсэн нь Кип Торнын удирдсан сансарт байрлалтай лазерын интерферометрийн төсөл байлаа.

Интерферометр нь лазерын туяаг 2 хувааж харилцан перпендикуляр чиглэлд явуулаад толь тавьж буцааж ойлгоно. Хэрэв гравитацын долгион толинуудын хоорондох зайгаар нэвтрэн өнгөрвөл толиноос буцах замыг үл ялиг сунгаж эсвэл агшаах болно. Гравитацын долгионы улмаас орон зайн үл ялиг гажилт үүсгэх юм бол  эдгээр долгионууд буцан уулзахдаа интерференцийн зураг үүсгэх ёстой.

Ингээд газар дээр байрлах гравитацын долгион илрүүлэгчийг LIGO хэмээх төхөөрөмжийг Вашингтон мужийн Хэнфорд, Германы Ханнавор, Италийн Пиза нарт тус тус суурилуулжээ. Эдгээр багажуудыг зангидан ажиллах LISA (Laser Interferometer Space Antenna) хэмээх асар том төхөөрөмжийг тус тусад нь пуужин ашиглан хөөргөж сансарт байрлуулав. Ийнхүү гурван төхөөрөмжийг сансарт хоорондох зайн 5 сая км үргэлжлэх урттай адил талт гурвалжингийн оройд байршихаар тус тусад нь байрлуулна. 5 сая км-ийг гэрэл 20 орчим секундэд туулна.

Гравитацын долгион эдгээр төхөөрөмжүүд дундуур гарахдаа орон зайг үл ялиг агшааж эсвэл сунгах болно. Үүнээс болж тэдний хооронд нисэх гэрлийн долгионуудад туулах замын хувьд үл ялиг өөрчлөлт гарч интерференц үүсгэнэ. Энэхүү үл ялиг өөрчлөлтийн улмаас үүсэж буй интерференцийн зургийг асар өндөр мэдрэмжтэй төхөөрөмж ашиглан бүртгэж авна.

Сансарт байрлах лазерын интерферометрийг ашиглан 2016 онд Их тэсрэлтийн үеэс улбаатай гравитоны долгионы үлдэгдлийг илрүүлснээр гравитон хэмээх бозон үнэхээр байгаа болохыг нээсэн явдал 2016 оны шинжлэх ухааны хамгийн том шуугиант нээлт байсан юм.