ҚАРАПАЙЫМ БӨЛШЕКТЕР (ҚБ-тер) – материяның молекулалар, атомдар, иондар немесе атомдардың ядролары (протондардан басқалары) болмайтын қарапайым, сонымен қатар бөлшектенбейтін ұсақ бөлшектерінің жалпы атауы. Қарапайым бөлшектердің өзара түрленушілік қасиеті оларды Әлемнің өзгермейтін «кірпіштері» ретінде қарастыруға рұқсат етпейді. Бүкіл материя осы бөлшектерден құралған. Қарапайым бөлшектер тобына ядро құрамындағы протондардан өзге нейтрондар, электрондар, фотондар, осылармен қатар пи-мезондар, мюондар, ауыр лептондар (τ), үш типті нейтрино (электрондық, мюондық және τ-нейтрино), ғажап бөлшектер (К-мезондар, гиперондар), санқилы резонанстар, жасырын «таңданарлық» мезондар (Ј/Ψ,Ψ′ т.б.) «таңданарлық» бөлшектер, ипсилон бөлшектер (Ү), «сұлу» бөлшектер, аралық векторлық бозондар (W+, Zº) – негізі- нен орнықсыз барлығы 350-ден астам бөлшектер енген.
ҚБ-дің ашылуы физиканың заттардың құрылысын зерттеудегі ХІХ ғасыр- дың соңындағы жалпы жетістіктерінің заңды нәтижесі болып табылады. Ең ал- ғаш ашылған қарапайым бөлшек атомдардағы теріс электр зарядын тасушы электрон болды. Оны 1897 жылы ағылшын физигі Джозеф Томсон (1856 – 1940) ашты. 1919 жылы ағылшынның өзге бір физигі Эрнест Резерфорд (1871 – 1937) атом ядроларын соққылау нәтижесінде бөлініп шыққан бөлшектер арасынан электронның массасынан 1840 есе артық бірлік оң зарядты бөлшек – протонды тапқан болатын. Ядроның құрамында болатын өзге бөлшекті – нейтронды 1932 жылы ағылшынның тағы бір физигі Джеймс Чэдвик (Чедвик) (1891 – 1974) ашты. Фотонның бөлшек ретіндегі түсінігі 1900 жылғы неміс физигі Макс Планктың (1858 – 1957) абсолют қара дененің электрмагниттік сәуле энергиясының квантануы туралы болжамынан бастау алған. 1905 жылы Альберт Эйнштейн (1879 – 1955) Планктың идеясын дамыта отырып, электрмагниттік сәуленің жеке кванттардың (фотондардың) ағыны екені туралы постулат (яғни аксиома) тұжырымдаған және осы негізде фотоэффектінің заңдылықтарын түсіндірген. Фотонның болатынын ғылыми-тәжірибе жүзінде тікелей дәлелдегендер (1912 – 15 жылдары) американ физиктері: Роберт Милликен (1868 – 1953) мен Артур Комптон (1892 – 1962) болады. Нейтриноның ерекше ҚБ екенін 1930 жылы швейцар физигі Вольфганг Паули (1900 – 58) алғаш рет болжаған; электрондық нейтрино тек 1953 жылы (американ физиктері Ф. Райнес, К. Коуэн) ғана ғылыми тәжі- рибе жүзінде ашылған. Массасы электронның массасына тең, бірақ оң зарядталған бөлшек – позитронды 1932 жылы американ физигі Карл Андерсон (1905 – 91) ғарыштық сәулелердің құрамынан тапқан. Позитрон ең алғаш ашылған антибөлшек болды. 1936 жылы Андерсон мен С. Неддермейер (АҚШ) ғарыштық сәулелерді зерттеу кезінде мюонды (электр зарядының екі таңба
сын) тапқан, оның массасы 200 электронның массасындай, өзге қасиеттері е– және е+ электрондар массаларына жуықтау болған. 1947 жылы ағылшын физигі Сесиль Пауэлл (1903 – 69) басқарған топ ғарыштық сәулелерден π+ және π– – мезондарды тапқан. Осыларға ұқсас бөлшектерді 1935 жылы жапон физигі Хидэки Юкава (1907 – 81) болжаған болатын. ХІХ ғасырдың 40-жылдардың соңын- да – 50-жылдардың басында «ғажап» деп аталған ерекше қасиетті бөлшектер- дің үлкен тобы ашылған. Осы топтың алғашқы бөлшектері – К+— және К–мезондар, Λ-гиперондар-ғарыш сәулелерінен анықталған. Осыдан кейінгі ғажап бөлшектер зарядты бөлшектердің үдеткіштері арқылы ашылды. ХІХ ғасырдың 50-жылдарынан бастап ү д е т к і ш т е р ҚБ-ны зерттеуге арналған негізгі құ- ралға айналды. 1955 жылы антипротондар, 1956 жылы антинейтрон,1960 жылы антисигма-гиперон, 1964 жылы ең ауыр гиперон – Ω¯ ашылған. 1960 жылдары үдеткіштер арқылы өте тұрақсыз (өзге тұрақсыз бөлшектермен салыстырғанда, дәлірек айтсақ квазитұрақты ҚБ-лар) бөлшектердің үлкен тобы ашылды. Бұлар ҚБ-тердің негізгі бөлігін құрайтын резонанстар болатын. 1962 жылы н е й т р и н о н ы ң әртүрлі екі түрі (электрондық және мюондық) болатыны анықталды. 1974 жылы ауыр (мысалы, 3–4 протон массасына тең), соған қарамастан салыстырмалы түрде тұрақты (әдеттегі резонанстармен салыстыр- ғанда) Ј / Ψ ж ә н е Ψ — б ө л ш е кт е р табылды. Бұлар жаңа ҚБ-лардың – «т аңданарлық» бөлшектер тобымен тығыз байланысты болды, мұның алғашқылары (Dº, D+, F+, А+с ) 1976 жылы ашылды. 1975 жылы электрон мен мюонның аналогы τ-лептон, 1977 жылы массалары ондаған протон массасына тең Ү бөлшектер, 1981 жылы – «сұлу»бөлшектер, ал 1983 – жылы аралық векторлық бозондар белгілі болды.
Негізгі қасиеттері. Бүкіл ҚБ-лардың массасы мен өлшемдері ерекше аз нысандар болып табылады. Бұлардың көпшілігінің массалары протонның массасына жуықтау, 1,6∙10–24 граммға тең (электронның массасы: 0,9∙10–27 г). Протонның, нейтронның, π-мезонның және басқа а д р о н д а р д ы ң өлшемдері 10–13 см-ге жуық, ал электрон мен мюонның өлшемдері анықталмаған, бірақ 10–16 см-ден кем деп есептелген.
Бүкіл ҚБ-лардың маңызды к в а н т т ы қ қ а с и е т і – өзге бөлшектермен өзара әсерлескен кезде пайда болу (тууы) және жойылу қасиеті [таралу (шыға- рылу) және жұтылу]. Осы тұрғыдан қарастырғанда олар түгелдей ф о т о н- д а р ғ а ұқсас. ҚБ-лардың қатысуымен бірге, бүкіл үрдістер (ыдыраудан басқа- лары) олардың жұтылу және шығарылу актілерінің тізбегі арқылы жүзеге асады. ҚБ-лардың өзараәсерлесуі бірнешеге: күшті әсерлесу, электрмагниттік әсерлесу және әлсіз әсерлесуге ажыратылған, бұларға қоса бүкіл ҚБ-ларға г р а в и- т а ц и я л ы қ әсерлесу тән.
Күшті әсерлесу өзге үрдістермен салыстырғанда ең қуатты қарқынды- лықпен өтетін және ҚБ-ларды ең күшті байланысқа әкеп соқтыратын үрдістер тудырады. Электр магниттік өзараәсерлесудің негізіне бөлшектердің электрмагниттік өріспен байланысы алынған. Бұл әсерлесу тудыратын үрдістер күшті әсерлесумен салыстырғанда қарқындылығы аз, ал олар тудыратын ҚБлардың байланысы едәуір әлсіз болады.
Әлсіз өзараәсерлесуді ҚБ-лардың қатысуымен өте баяу өтетін үрдістер тудырады, бұлардың арасында көпшілігінің «өмір сүру» уақыты 10–6 – 10–11 секунд аралығында болатын квизитұрақты ҚБ-лар да бар.
Гравитациялық өзараәсерлесу ҚБ-ларға тән ~10–13 см арақашықтықта өте аз эффект береді, оның себебі ҚБ-лардың массаларының аз болуы, бірақ ~10–33 см арақашықтықта елерліктей шамада болады.
Өзараәсерлесудің түрлеріне қатысулары бойынша ҚБ-лар фотоннан өзгелері негізгі екі топқа: андрондар мен лептондарға ажыратылған. Адрондарға күшті өзараәсерлесумен қатар электрмагниттік және әлсіз өзараәсерлесумен сипатталса, лептондар тек электрмагниттік және әлсіз өзараәсерлесуге қатысады (гравитациялық өзараәсерлесудің фотонды қоса есептегенде бүкіл ҚБ-ларға қатысты болатынын білеміз).
ҚБ-лар өзараәсерлесу сипаты бойынша бірнеше үлкен топқа ажыратылған (кестеге қараңыз). Бөлшектердің спиндері не бүтін сандар (0,1,2,….) – бұл жағ- дайда осы бөлшектер бозондар деп аталған, не бүтін сандардың жартысына тең болады (1/2, 3/2,…) – бұл жағдайда осы бөлшектер ф е р м и о н д а р деп атал- ған. Гравитацилық өзараәсерлерді тасушылар – гравитондар деп аталған.
Қарапайым бөлшектердің сипаттамалары. ҚБ-ның әрқайсысы өз- деріне тән өзараәсерлесулерге қоса белгілі бір физикалық шамалардың дис- кретті (үзік-үзік) мәндерімен – өздерінің сипаттамаларымен (сәйкес бірліктер- мен өлшенген дискретті мәндермен, әдетте ҚБ-ның кванттық сандары деп аталған бүтін немесе бөлшек сандармен) айғақталады. Бүкіл ҚБ-ның жалпы сипаттамалары : масса (m), «өмір сүру» уақыты (τ), спині J және электр заряды (Q) болып табылады. «Өмір сүру» уақытына тәуелді ҚБ-лар тұрақты, квазитұрақты және тұрақсыз(резонанстар) бөлшектерге жіктелген. Осы заманғы өлшеу дәлдігінің шегінде тұрақты бөлшектер: электрон (τ > 5∙1021 жыл), протон (τ >1031 жыл), фотон және нейтрино болып табылады. Квазитұ- рақты бөлшектерге электрмагниттік және әлсіз өзараәсерлесу есебінен ыдырайтын бөлшектер жатқызылған; олардың «өмір сүру» уақыттары τ>10–20 секунд. Резонанстық ҚБ-лар деп күшті өзараәсерлесу есебінен ыдырайтын бөлшек- тер аталған; оларға тән «өмір сүру» уақыты 10–22 – 10–24 секунд. ҚБ-лардың спиндері бүтін сан немесе бүтін санның жартысына еселі Планк тұрақтысы (h) болып табылады. Осы бірліктерде π— және К-мезондардың спиндері О (нөлге) тең, протондікі, нейтрондікі және электрондікі J-1/2, фотондікі J-1-ге тең т.с.с. Спині үлкен бөлшектер де бар. ҚБ-лардың электр зарядтары электронға – е ≈1,6∙10–19 Кл-ға бүтін еселі шама болады, осы шама қарапайым электр заряды деп аталған.
А д р о н д а р әдеттегі (ғажап емес) бөлшектерге топталған. Адрондардың әдеттегі (ғажап емес) бөлшектерге (протон, нейтрон, π-мезон), ғажап бөлшек- терге, «таңданарлық» және «сұлу» бөлшектерге топталған. Адрондардың маңызды сипаттамасы – ішкі жұптылық (р), бұлар ±1 мәндерін қабылдаған.
Мәні нөл болмайтын бүкіл ҚБ-лар үшін Q, L, B, S, С, b кванттық сандардың ең болмағанда біреуінің антибөлшегі болады. Өзінің антибөлшегіне тепе-тең бөлшектер ақиқат бейтарап бөлшектер деп аталған.
Адрондар ерекше материалдық нысан (объекті) – кварктерден құралған де- ген болжал тұжырымдалған. Бұл болжалды 1964 жылы американ физиктері: Джордж Цвейг (1937 ж.т.) және оған тәуелсіз Мюррей Гелл — Манн (1929 ж.т.) ұсынған.
ҚБ-лардың қасиеттері мен өзараәсерлесулерін сипаттауға арналған физика- лық өріс ұғымының мәні зор, бұл теория бойынша ҚБ-лардың әрқайсысына өріс сәйкес қойылған. Өріс материяның кеңістікте таралуының ерекше түрі болып есептеледі; өріс кеңістіктік – уақыттық барлық нүктелері (x) бойынша берілетін функциямен сипатталады. Электрмагниттік өріс – физикалық өрістің ең алғаш белгілі болған түрі. ҚБ-ларға сәйкес қойылатын өрістің кванттық табиғаты бар. Өрістің әрбір квантты массасы және спині берілген өріс ҚБ-лар үшін ортақ болып табылады. Электрмагниттік өрістің кванттары – фотондар болып табылады, өзге өрістердің кванттары өзгедей белгілі ҚБ-ларға сәйкес болады. Кванттық теорияның математикалық қосымшалары әрбір кеңістіктік-уақыттық нүктедегі (х) бөлшектердің тууын және жойылуын сипаттауға мүмкіндік тудырған.
Өрістің қасиеттерін түрлендіру ҚБ-лардың барлық кванттық сандарын анықтайды. ҚБ-лар физикасының жаңа дамуы бүкіл ҚБ-лардың арасынан микроәлемнің ерекшелік үрдістерін айғақтайтын бөлшектер тобын айқындап бөлді. Осы бөлшектердің қатарына ақиқат қарапайым бөлшектер болуы мүмкін болатын бөлшектер топталған. Олардың қатарына спині 1/2-ге тең – л е п т о н д а р мен к в а р к т е р, сонымен қатар спині 1-ге тең г л ю о н д а р, ф о т о н д а р, массивті аралық бөлшектер, әртүрлі өзара әсерлесуді жүзеге асы- ратын спині 1/2-ге тең бөлшектер жатқызылған. Осы топқа спині 2-ге тең гравитонды да, бүкіл ҚБ-ларды байланыстыратын гравитациялық өріс квантын да енгізуге болады. ҚБ-лардың өзараәсерлесуін сипаттау өрістің калибирлеу теориясымен де байланысты. Калибирлеу теориясы жаңаша тұжырымдалатын теорияның өте қажет құраушыларының бірі болуы мүмкін.