Tihti kõnelevad füüsikud relatiivsusteooriast ja kvantfüüsikast kui „nüüdisaegsest füüsikast,“ eristades neid Newtoni mehaanikast ja Maxwelli elektromagnetismiteooriast, mida siis nimetatakse „klassikaliseks füüsikaks.“ Aja jooksul aga tundub sõna „kaasaegne“ üha vähem ja vähem sobivat teooriatele, millede loomine jääb 20. sajandi algusaastatesse. Sellegipoolest on see silt senini käibel.

Oma raamatu viimases peatükis vaatleme kahte uurimisliini, mis on tõeliselt „kaasaegsed,“ kuid ühtlasi ka kõige iidsemate juurtega. Need keskenduvad kahele petlikult lihtsale küsimusele:

Millest on tehtud universum?

Kuidas sai universum selliseks, nagu see praegu on?

Neile küsimustele vastamine on viimastel aastakümnetel kiiresti edenenud.

Paljud uued arusaamad põhinevad eksperimentidel, mis on teostatud suurtel osakestekiirenditel. Kuigi osakesi põmmutatakse kokku ikka kõrgematel ja kõrgematel energiatel ning selleks kasutatakse üha suuremaid ja suuremaid kiirendeid, on füüsikud saanud aru, et ükski mõeldav Maaga seotud kiirendi ei saa genereerida osakesi piisavalt suurte energiatega, et katsetada füüsika alusteooriaid. On olnud ainult üks niisuguste energiatega osakeste allikas ja see oli universum ise oma eksistentsi esimese millisekundi jooksul.

Selles peatükis kohtute suure hulga uute terminitega ja tõelise tulvaga osakestest, millede nimesid te ei peaks püüdma meelde jätta. Kui olete ajuti hämmelduses, siis jagate tegelikult nende füüsikute endi hämmeldust, kes katsetulemuste ja teooriate segadikus ei näinud vahel muud kui suurenevat keerukust koos vähese lootusega sellest midagi aru saada. Kui te aga siiski jätkate, saate te jagada füüsikute elevust, kui imepärased uued kiirendid puistasid välja uusi tulemusi ja teoreetikud uusi ideid, iga järgmine julgem kui eelmine, kuni viimaks jõudis pimedusest kohale selgus. Praegu teame füüsikamaailmast üsna palju, kuid meie raamatu peamine sõnum on pigem see, et suurimad mõistatused on siiski veel lahendamata.

1930ndatel aastatel leidus palju teadlasi, kes arvasid, et aine ehituse probleem on kohe-kohe lõplikku lahendust leidmas. Aatomi mõistmiseks piisas kolmest osakesest – elektron, prooton ja neutron. Kvantfüüsika seletas hästi aatomi struktuuri ja radioaktiivset alfalagunemist. Neutriino oli postuleeritud ja kuigi mitte veel katseliselt leitud, oli see juba kasutusel beetalagunemise edukas teoorias, mille oli esitanud Enrico Fermi. Loodeti, et prootonitele ja neutronitele rakendatud kvantteooria seletab varsti ka tuuma ehituse. Mida muud võiski seal olla?

Eufooria ei kestnud kaua. Tollesama dekaadi lõpp nägi uute osakeste avastamise algust, mis jätkub tänaseni. Nende uute osakeste nimede ja sümbolite seas on näiteks sellised nagu müüon ($\mu$), piion ($\pi$), kaaon ($K$) ja sigma ($\Sigma$). Kõik uued osakesed on ebastabiilsed; need muunduvad spontaanselt teist tüüpi osakesteks vastavalt samale lagunemisseadusele, mida kasutatakse ebastabiilsete tuumade jaoks. Niisiis, kui katsekehas on hetkel $t=0$ mingit tüüpi osakesi $N_0$, siis hilisemal hetkel $t$ on osakeste arv $N$ arvutatav valemist 42-15

lagunemiskiirus $R$ algväärtusega $R_0$ on antud valemiga 42-16

ning poolestusaeg $T_{1/2}$, lagunemiskonstant $\lambda$ ja keskmine eluiga $\tau$ on seotud valemiga 42-18

Uute osakeste poolestusaeg ulatub ${10}^{-6}s$ kuni ${10}^{-23}s$. Tõesti, mõned neist osakestest kestavad nii lühikest aega, et neid ei saa vahetult jälgida ja nende olemasolu on järeldatav ainult kaudsetest andmetest.

Need uued osakesed saadakse harilikult otsepõrgetes prootonite või elektronide vahel, mis on kiirendatud kõrgete energiateni kiirendites, milledest suurimateks on CERN (Genf, Šveits), Brookhaveni Riiklik Laboratoorium (New York, USA), Fermilab (Chicago lähedal, USA), SLAC (Stanfordi Ülikool, California, USA) ja DESY (Hamburg, Saksamaa). Osakesed avastatakse detektoritega, mis on muutunud nii keerukateks, et juba mõnikümmend aastat tagasi hakkasid need oma suuruse ja keerukuse poolest võistlema kiirendite endiga.

Tänapäevaks on teada mitusada osakest. Nendele nime panemiseks on kreeka tähestikust väheks jäänud ja enamik on tuntud ainult numbri järgi perioodiliselt publitseeritavas kogumikus. Et sellest osakeste hulgast aru saada, otsime lihtsaid füüsikalisi kriteeriume, millede abil oleks võimalik osakesed klassidesse liigitada. See tulemus on tuntud kui osakeste Standardmudel. Kuigi see mudel on jätkuvalt teoreetikute poolt vaidlustatud, on see jäänud kõikide siiani avastatud osakeste mõistmise parimaks skeemiks.

Et Standardmudelit tundma õppida, toome sisse kolm jämedat moodust osakesi kahte lehte jagada: fermion või boson, hadron või lepton, osake või antiosake.

Vaatame igaüht neist paaridest eraldi.

Fermion või boson?

Kõigil osakestel on oma siseomane impulsimoment (pöördeimpulss, pöörlemishulk), nn spinn, millest elektronide, prootonite ja neutronite korral oli juttu punktis 32-7. Üldistades seal kasutatud tähistusi, võib kirjutada spinni $\overrightarrow{S}$ iga komponendi (allpool vaatleme $z$-telje sihilist komponenti) kujul

(44-4)

$S_z=m_s\hslash ,\text{kus}{m}_s=s,s–1,\dots ,–s$

ning ћ = h/2π, ms on spinni magnetkvantarv ja s on spinn-kvantarv. Viimase väärtused võivad olla kas positiivsed poolarvud (täisarv $+\frac{1}{2}$ ehk $\frac{1}{2},\frac{3}{2}\dots$) või mittenegatiivsed täisarvud ($0,1,2,\dots$). Näiteks elektronil $s=\frac{1}{2}$. Seega võib elektroni spinn (mõõdetuna piki mistahes telge, näiteks $z$-telge) olla väärtustega

(spinn üles)

$S_z=\frac{1}{2}\hslash$

või

(spinn alla)

$S_z=-\frac{1}{2}\hslash$

Segadust võib tekitada termini spinn kahesugune kasutamine: rangelt võttes tähistab see osakese siseomast impulsimomenti $\overrightarrow{S}$, kuid sageli kasutatakse seda vabamas tähenduses ka osakese spinn-kvantarvu s nimena. Viimases tähenduses näiteks võib öelda, et elektron on $\frac{1}{2}$-spinniga osake.

Poolarvulise spinn-kvantarvuga osakesi (nagu näiteks elektrone) kutsutakse fermionideks Fermi järgi, kes (üheaegselt Paul Diraciga) avastas statistilised seadused, mis elektronide käitumist reguleerivad. Nagu elektronidel on ka prootonitel ja neutronitel $s=\frac{1}{2}$ ja needki on fermionid.

Nulli või täisarvulise spinn-kvantarvuga osakesi kutsutakse bosoniteks India füüsiku Satyendra Nath Bose järgi, kes (üheaegselt Albert Einsteiniga) avastas statistilised seadused nende osakeste jaoks. Footonid, mille $s=1$, on bosonid; varsti kohtume ka teiste sama klassi osakestega.

Kirjeldatu võib tunduda triviaalse viisina osakeste klassifitseerimiseks, kuid see on väga tähtis järgmisel põhjusel:

fermionid järgivad Pauli keeluprintsiipi, mis väidab, et antud kindlas kvantseisundis tohib olla ainult üks osake. Bosonid sellele printsiibile ei allu. Antud kvantseisundis võib ühekorraga olla mistahes arv bosoneid.

Me nägime Pauli keeluprintsiibi tähtsust aatomite „koostamisel,“ kui seadsime elektrone (spinniga $\frac{1}{2}$) ümber tuuma ükshaaval erinevatesse kvantseisunditesse. Selle printsiibi alusel oli võimalik täielikult ära seletada eri liiki aatomite struktuur ja omadused ning aru saada ka selliste tahkiste, nagu metallid ja pooljuhid, ehitusest.

Kuna bosonid ei allu Pauli printsiibile, on neil tendents madalaima energiaga kvantseisundisse kuhjuda. 1995. aastal õnnestus ühel teadlasrühmal Colorados Boulderis valmistada kondensaat umbes $2000$ rubiidium-$87$ aatomist (need on bosonid) ühesainsas ligikaudu nullenergiaga kvantseisundis.

Et see juhtuks, peab rubiidium olema väga madala temperatuuriga aur, mille tihedus on nii suur, et individuaalsete aatomite de Broglie’ lainepikkused on suuremad kui aatomitevaheline keskmine kaugus. Kui see tingimus on täidetud, siis üksikute aatomite lainefunktsioonid kattuvad ja aatomite kogum muutub üheks ainsaks kvantsüsteemiks (üks suur aatom), mida kutsutakse Bose-Einsteini kondensaadiks. Joonis 44-1 näitab, et kui rubiidiumiauru temperatuur on langenud $1,70\times {10}^{-7}K$, siis aatomid tõepoolest „kukuvad kokku“ ühte täpselt ette nähtud olekusse, mis vastab ligikaudu null-kiirusele.

Enne, kui osakeste klassifitseerimisega edasi minna, astume hetkeks kõrvale ja anname sissejuhatava pildi osakeste uurimisest. Selleks analüüsime tüüpilist osakestega toimuvat sündmust, nagu on näidatud joonisel 44-2a esitatud mullikambri fotol.

Jäljed sellel joonisel koosnevad mullidest, mis moodustuvad elektriliselt laetud osakeste liikumisteel läbi vedela vesinikuga täidetud kambri. Me saame määrata jälje jätnud osakese näiteks sel teel, et mõõdame mullide suhtelist kaugust. Kamber asub ühtlases magnetväljas, mis painutab positiivselt laetud osakeste jäljed vastupäeva ja negatiivselt laetud osakeste jäljed päripäeva. Jälje kõverusraadiusest saab arvutada jälje jätnud osakese impulsi. Tabel 44-1 näitab mõnede joonisel 44-2a kujutatud sündmusest osa võtnud osakeste ja antiosakeste omadusi, kaasa arvatud jälgi mitte jätnud osakesed. Järgides tavalist praktikat, on tabelis 44-1, nagu ka käesoleva peatüki kõikides teistes tabelites, osakeste massid antud ühikutes $MeV/c^2$. Selline esitus arvestab, et osakese seisuenergiat on tarvis palju sagedamini teada kui selle massi. Niisiis on tabelis 44-1 prootoni mass $938,3MeV/c^2$. Prootoni seisuenergia (massienergia) leidmiseks on tarvis see mass korrutada konstandiga $c^2$ ja tulemuseks on $938,3MeV$.

Joonisel 44-2a esitatuga sarnaste fotode analüüsimisel on peamisteks tööriistadeks energia, impulsi, impulsimomendi ja elektrilaengu jäävuse seadused, kõrvuti teiste jäävusseadustega, mida me pole veel käsitlenud. Joonis 44-2a on tegelikult üks pilt stereofoto paarist, nii et praktikas viiakse need analüüsid läbi kolmemõõtmeliselt.

Joonisel 44-2a kujutatud sündmuse käivitas Lawrence Berkeley Laboratooriumi kiirendis tekitatud suure energiaga antiprooton ($\overline{p}$), mis joonisel siseneb kambrisse vasakult. Seal toimub kolm omaette osasündmust: üks leiab aset joonisele 44-2b märgitud punktis $1$, teine punktis $2$ ja kolmas väljaspool joonist. Uurime neid kõiki eraldi:

1. Prootoni-antiprootoni annihilatsioon. Joonise 44-2b punktis $1$ põrkab sisenev antiprooton (sinine joon) kambris vedela vesiniku prootoniga ja tulemuseks on vastastikune annihilatsioon. Võib öelda, et annihilatsioon toimus sel ajal, kui antiprooton oli lennus, sest enamik põrkel tekkinud osakesi liiguvad ettepoole, s.t joonisel 44-2 paremale. Impulsi jäävuse seadusest lähtuvalt pidi sisenev antiprooton annihileerumisel omama ettepoole suunatud impulssi.

Antiprootoni ja prootoni põrkes sisalduv koguenergia on antiprootoni kineetilise energia ja kahe põrkuva osakese (identsete) seisuenergiate summa ($2\times 938,3MeV$ ehk $1876,6MeV$). See on piisav energia uute kergemate osakeste tekitamiseks ja nendele kineetilise energia andmiseks. Käesoleval juhul tekitab annihilatsioon neli positiivset piionit (punased jooned) ja neli negatiivset piionit (rohelised jooned joonisel 44-2b). (Lihtsuse mõttes eeldame, et sündmuses ei tekkinud gammafootoneid, mis laengu puudumise tõttu ei jätaks mullikambrisse jälgi.) Sellest järeldame, et annihilatsiooniprotsess on

Tabelist 44-1 on näha, et positiivsed piionid (${\pi }^{+}$) on osakesed ja negatiivsed piionid (${\pi }^{-}$) antiosakesed. Valemiga 44-6 antud protsessis avaldub tugev vastastikmõju (tugev jõud), sest kõik selles sisalduvad osakesed on hadronid.

Kontrollime, kas selles protsessis säilib elektrilaeng. Selleks kirjutame osakese elektrilaengu kujul $qe$, milles $q$ on laengu kvantarv. Elektrilaengu jäävuse kontrollimine tähendab selgitamist, kas laengu kvantarvude algebraline summa enne protsessi on võrdne laengu kvantarvude summaga pärast protsessi. Protsessis 44-6 on kogulaengu kvantarv alguses $1+(-1)$ ehk $0$ ja lõpus $4\left(1\right)+4(-1)$ ehk samuti $0$. Niisiis, laeng on säilinud.

Energiabilansi leidmiseks paneme eeltoodust tähele, et $p^{-}$ annihileerumisel saadud energia on vähemalt prootoni ja antiprootoni seisuenergiate summa, $1876,6MeV$. Piioni seisuenergia on $139,6MeV$, mis tähendab seda, et kaheksa piioni seisuenergiate hulk on $8\times 139,6MeV$ ehk $1116,8MeV$. See jätab kineetilist energiat
kaheksa piioni vahel jagamiseks vähemalt $760MeV$. Niisiis on energia jäävuse nõuet kerge rahuldada.

2. Piioni lagunemine. Piionid on ebastabiilsed osakesed ja lagunevad keskmise elueaga $2,6\times {10}^{-8}s$. Joonisel 44-2b peatub üks positiivsetest piionitest punktis $2$ ning laguneb spontaanselt antimüüoniks ${\mu }^{+}$ (lilla joon) ja neutriinoks $\nu$:

Laenguta neutriino lahkub jälge jätmata. Mõlemad, nii antimüüon kui ka neutriino on leptonid, seetõttu ei mõju neile tugev vastastikmõju. Valemiga 44-7 esitatud lagunemisprotsessi juhib nõrk vastastikmõju. Tabelist 44-1 leiame, et antimüüoni seisuenergia on $105,7MeV$ ja neutriino seisuenergia on ligikaudu $0$. Niisiis, $139,6MeV-105,7MeV$ ehk $33,9MeV$ on saadaval antimüüoni ja neutriino vahel jagamiseks kineetilise energiana.

Kontrollime, kas spinn-impulsimoment säilib protsessis 44-7. Selleks tuleb kindlaks teha, kas spinn-impulsimomentide summa $S_z$ suvalise $z$-telje suunas jääb muutumatuks. Selles protsessis osalevatel osakestel on spinn-kvantarv $s$ vastavalt $0$ piionil ${\pi }^{+}$ ja $\frac{1}{2}$ nii antimüüonil ${\mu }^{+}$ kui ka neutriinol $\nu$. Seetõttu peab ${\pi }^{+}$ spinni komponent $S_z$ olema $0\hslash$ ning ${\mu }^{+}$ ja $\nu$ omad kas

Spinni komponent Sz saab olla protsessis 44-7 jääv, kui leidub mingi kombinatsioon, kus algseisundi summaarne $S_z$ ($=0\hslash$) on võrdne lõppseisundi summaarse $S_z$ väärtusega. Näeme, et kui ühel lõpp-produktidest (kas ${\mu }^{+}$ või $\nu$) on $S_z=+\frac{1}{2}\hslash$ ja teisel $S_z=-\frac{1}{2}\hslash$, siis nende koguväärtus ongi $0\hslash$. Kuna $S_z$ saab olla jääv, siis saab lagunemisprotsess 44-7 toimuda.

Valemist 44-7 näeme sedagi, et kogulaeng on protsessi vältel säilinud: enne lagunemist oli kogulaengu kvantarv $+1$ ja pärast lagunemist on see $+1+0=+1$.

3. Müüoni lagunemine. Müüonid (${\mu }^{-}$ või ${\mu }^{+}$) on samuti ebastabiilsed ja lagunevad keskmise elueaga $2,2\times {10}^{-6}s$. Ehkki laguproduktid pole joonisel 44-2b näidatud, peatub protsessis 44-7 tekkinud antimüüon kuskil väljaspool joonist ja laguneb spontaanselt protsessis

Antimüüoni seisuenergia on $105,7MeV$. Kuna positroni seisuenergia on ainult $0,511MeV$, siis jääb $105,2MeV$ kineetilist energiat lagunemisprotsessis 44-8 tekkinud kolme osakese vahel jagamiseks.

Võiks imeks panna, miks on avaldises 44-8 kaks neutriinot. Miks mitte ainult üks, nagu piioni lagunemise avaldises 44-7? Üks vastustest on, et antimüüoni, positroni ja neutriino spinn-kvantarvud on kõigil $\frac{1}{2}$ ja spinn-impulsimomentide summa $S_z$ ei saaks olla jääv, kui antimüüoni lagunemisel tekiks positron ja ainult üks neutriino. Punktis 44-4 esitame veel teisegi põhjuse.

Selles ja järgmises punktis vaatame seda liigitamisviisi, mis jagab osakesed leptoniteks ja hadroniteks. Alustame leptonitest, milledele ei mõju tugev vastastikmõju. Seni oleme kõnelnud hästituntud elektronist ja ka neutriinost, mis kaasneb beetalagunemisega. Müüon, mille lagunemist kirjeldab valem 44-8, on veel üks seda liiki osake. Füüsikud on järk-järgult välja uurinud, et valemis 44-7 esinev neutriino, mis kaasneb müüoni tekkega, ei ole sama osake mis beetalagunemisel koos elektroniga tekkinud neutriino. Kui neid on tarvis teineteisest eristada, siis nimetame me esimest müüneutriinoks (sümbol ${\nu }_{\mu }$) ja teist elektronneutriinoks (sümbol ${\nu }_e$).

Need kahte liiki neutriinod on tuntud erinevate osakestena sellepärast, et kui müüneutriinode kimp (mis on tekkinud piionite lagunemisel 44-7) põrkab vastu tahket märklauda, siis tekivad ainult müüonid – mitte kunagi elektronid. Teisest küljest, kui elektronneutriinod (tekivad tuuma lõhustumise produktide beetalagunemisel) põrkavad vastu tahket märklauda, siis tekivad ainult elektronid – mitte kunagi müüonid.

Veel üks lepton, tauon, avastati 1975. aastal SLACis; selle avastaja Martin Perl jagas 1995. aasta Nobeli füüsikapreemiat. Tauoniga kaasneb oma neutriino, mis erineb kahest eelmisest. Tabel 44-2 kirjeldab kõiki leptoneid (nii osakesi kui ka antiosakesi). Kõigi nende spinn-kvantarv on $s=\frac{1}{2}$.

Leptoneid võib jagada kolmeks perekonnaks, millest igaüks sisaldab osakese (elektron, müüon või tauon), sellega kaasneva neutriino ja nende mõlema antiosakesed. On põhjust uskuda, et leptonitel on ainult kolm perekonda, mis on toodud tabelis 44-2. Leptonitel pole sisestruktuuri ja ruumilisi mõõtmeid; kui need on vastastikmõjus teiste osakeste või elektromagnetlainetega, siis kirjeldatakse neid kui tõeliselt punktikujulisi osakesi.

Oleme nüüd jõudnud hadronite juurde (barüonid ja mesonid), mille vastastikmõjusid reguleerib tugev vastastikmõju. Täiendame jäävusseaduste nimestikku veel ühe jäävusseadusega, nimelt barüonarvu jäävusega.

Selle jäävusseaduseni jõudmiseks vaatame prootoni lagunemisprotsessi.

See protsess ei toimu kunagi. Peaksime selle üle rõõmustama, sest vastasel korral muutuksid universumis kõik prootonid järk-järgult positronideks, mis oleks meile hukatusliku tagajärjega. Ometi ei riku see lagunemisprotsess energia, impulsi ja leptonarvu jäävuse seadusi.

Prootoni ilmse stabiilsuse seletamiseks toome sisse uue kvantarvu, barüonarvu $B$, ja uue jäävusseaduse, barüonarvu jäävuse (see lubab seletada ka paljude teiste protsesside puudumist, mis muidu võiksid toimuda).

Protsessis 44-14 on prootoni barüonarv $B=+1$, positron ja neutriino mõlemad aga barüonarvuga $B=0$. See protsess ei säilita barüonarvu ja järelikult ei saa toimuda.

Osakestel on veel sisemisi omadusi lisaks neile, mida on siiani nimetatud: mass, laeng, spinn, leptonarv, barüonarv. Esimesed nendest lisaomadustest avastati siis, kui uurijad täheldasid, et teatud uued osakesed, nagu näiteks kaaon ($K$) ja sigma ($\Sigma$), näivad tekkivat alati paaris. Tundus võimatu saada neid ükshaaval. Näiteks kui suure energiaga piionite juga on mullikambris vastastikmõjus prootonitega, siis on tihti näha protsessi

Kuid protsessi

mis ei riku osakestefüüsika varasematest aegadest tuntud jäävusseadusi, ei toimu mitte kunagi. Lõpuks pakuti välja (Murray Gell-Mann Ameerika Ühendriikides ja sõltumatult $K$. Nishijima Jaapanis), et teatud osakestel on uus omadus, nn veidrus, omaenda kvantarvuga $S$ (ingl strangeness) ja omaenda jäävusseadusega. (Olge tähelepanelikud, et sümbolit $S$ siin mitte segi ajada spinniga.) Nimetus veidrus tuleneb faktist, et enne kui nende osakeste omadused välja selgitati, olid need tuntud kui „veidrad osakesed“ ja see hüüdnimi jäi külge.

Prootonil, neutronil ja piionil $S=0$; s.t need pole „veidrad“. $K^{+}$ osakese veidruseks pakuti $S=+1$ ja ${\Sigma }^{+}$ jaoks $S=-1$. Protsessis 44-16 on koguveidrus alguses null ja lõpus null, mis tähendab, et selles protsessis veidrus säilib. Aga protsessis 44-17 on lõpus koguveidrus $S=-1$; järelikult see protsess ei säilita veidrust ja ei saa toimuda. Ilmselt peame lisama oma nimekirja veel ühe jäävusseaduse – veidruse jäävuse.

Võib tunduda mõttetuna omistada osakestele täiesti uut omadust ainult selleks, et seletada väikest mõistatust, mis on esitatud protsessidega 44-16 ja 44-17. Kuid veidrus ja selle kvantarv ilmutasid end varsti osakestefüüsikas mujalgi ja nüüd loetakse veidrus osakese sisemiste omaduste hulka samadel alustel nagu näiteks laeng ja spinn.

Hoolimata oma kummalisest nimest pole veidrus mõistatuslikum omadus kui elektrilaeng. Mõlemad on omadused, mis osakestel võivad olla (või mitte olla), mõlemad on kirjeldatavad kvantarvuga. Kumbki järgib jäävusseadust. Praeguseks on avastatud veel teisigi osakeste omadusi ja antud neile veel kummalisemaid nimesid, nagu näiteks sarm ja ilu (ingl charm ja beauty, viimane kannab vahel ka nime bottomness), kuid kõik need on igati seaduslikud omadused. Vaatame näiteks, kuidas uus omadus veidrus ennast õigustab ja meile uusi olulisi seaduspärasusi osakeste omadustes kätte juhatab.

On olemas kaheksa barüoni, sh prooton ja neutron, millede spinn-kvantarv on $\frac{1}{2}$. Tabel 44-3 näitab nende mõningaid teisi omadusi. Joonisel 44-3a on põnev kujund, mille saame siis, kui paigutame barüonid diagrammile vastavalt veidruse ja laengu kvantarvudele nii, et võrdsed laengud jäävad näidatud kaldtelgedele. Kuus kaheksast barüonist moodustavad korrapärase kuusnurga ja kaks ülejäänud barüoni asuvad selle kuusnurga keskel.

Edasi vaatame mesoniteks kutsutud hadroneid. Tabelis 44-4 on üheksa nullspinniga mesonit. Kui me paigutame needki analoogilisele veidruse-laengu diagrammile, siis tekib joonisel 44-3b näidatud uus põnev kujund. Neid kahte ja teisi samalaadseid kujundeid tekitab nn kaheksaastmeline tee1, mille tõid 1961. aastal teineteisest sõltumatult sisse Murray Gell-Mann California Tehnoloogiainstituudist ja Yuval Ne’eman Londoni Imperial Colledge’ist. Kujundid joonisel 44-3 on vaid mõned näited suurest hulgast sümmeetrilistest kujunditest, millede abil saab barüonide ja mesonite rühmi kirjeldada.

Kaheksaastmelise tee kujundisümmeetria $3/2$-spinniga barüonide jaoks (seda pole siin esitatud) nõuab kujundisse paigutatud kümmet osakest nagu kümmet kurikat keeglirajal. Kui aga kujund esmalt esitati, siis oli teada vaid üheksa taolist osakest ja üks oluline „kurikas“ oli puudu. 1962. aastal avaldas Gell-Mann teooriast ja kujundi sümmeetriast lähtudes ennustuse, milles ta ütles:

On olemas barüon, mille spinn on $3/2$, laeng $-1$, veidrus $-3$ ja seisuenergia umbes $1680MeV$. Kui te otsite oomega miinus osakest (nii ma soovitan seda osakest nimetada), siis minu arvates te leiate selle.

Nicholas Samiose juhitud füüsikute meeskond Brookhaveni Riiklikust Laborist võttis väljakutse vastu ja leidiski „puuduva“ osakese, millel olid kõik nimetatud omadused. Miski ei saa olla teooria usaldusväärsuse jaoks parem kui ennustatu olemasolu vahetu katseline kinnitus!

Kaheksaastmelise tee kujundid on osakestefüüsikaga samaviisi seotud nagu elementide perioodilisussüsteem keemiaga. Igale erijuhule vastab korrastatud kujund, kus tühjad kohad (puuduvad osakesed või elemendid) torkavad silma nagu valged varesed, juhtides eksperimentaatoreid nende otsingutes. Perioodilisussüsteemi olemasolu viitab sellele, et elementide aatomid pole mitte fundamentaalsed osakesed, vaid et neil on struktuur. Samaviisi viitavad ka kaheksaastmelise tee kujundid sellele, et mesonitel ja barüonidel peab olema struktuur, mis võimaldaks nende omadustest aru saada. Seda struktuuri seletab kvarkmudel, mida me nüüd hakkamegi tutvustama.

Gell-Mann ja George Zweig juhtisid 1964. aastal teineteisest sõltumatult tähelepanu asjaolule, et kaheksaastmelise tee kujundeid on võimalik kergesti mõista, kui eeldada, et mesonid ja barüonid koosnevad osaüksustest, mida Gell-Mann nimetas kvarkideks. Algul käsitleme neist kolme: $u$-kvark, $d$-kvark $s$-kvark. Tähistused tulenevad ingliskeelsetest sõnadest up (üles, tähis $u$), down (alla, tähis $d$), strange (veider, tähis $s$) ja me omistame neile omadused, mida kirjeldab tabel 44-5. (Kvarkide nimed koos veel kolmele kvargile pandud nimedega, millega hiljem kokku puutume, on vaid mugavad tähistused ja ei ole tähenduslikud. Neid nimesid kutsutakse kvargi lõhnadeks ja soovi korral oleks me võinud neid „üles“, „alla“ ja „veidruse“ asemel kutsuda kas või vanilliks, šokolaadiks ja maasikaks.)

Kvarkide laengu murdarvulised kvantarvud võivad tunduda pisut häirivad. Kuid hoidugem hinnangu andmisest enne, kui näeme, kuidas need murrulised laengud seletavad hästi ära mesonite ja barüonide vaadeldavaid täisarvulisi laenguid. Kõikides normaalsetes olukordades, kas siin Maa peal või astronoomilistes protsessides, on kvargid alati üksteisega kas kahe- või kolmekaupa seotud, kuigi selle põhjust pole siiani hästi mõistetud. Kaksikud või kolmikud on aga kvarkide ühendamise põhireegliks.

Põnev erand põhireeglist tekitati Brookhaveni Riikliku Labori RHIC nime kandvas osakestepõrgutis (kollaideris). Kohas, kus kaks kimpu suure energiaga kulla tuumasid vastamisi kokku põrkasid, oli osakeste kineetiline energia nii suur, et seda võis võrrelda osakeste kineetilise energiaga mõni hetk pärast universumi algust (sellest tuleb juttu punktis 44-14). Kullatuumade prootonid ja neutronid rebiti tükkideks ja need moodustasid hetkeks vabade kvarkide gaasi. (See gaas sisaldas ka gluuoneid – osakesi, mis normaalolukorras hoiavad kvarke koos, nagu seletame punktis 44-9.) Võis juhtuda, et neis katsetes olid kvargid vabas olekus esimest korda pärast universumi väga varajast noorust.

Kvargid ja barüonid

Iga barüon on kolme kvargi kombinatsioon; mõned sellised kombinatsioonid on näidatud joonisel 44-4a. Mis puutub barüonarvu, siis näeme, et kolme kvargi iga kombinatsioon (igal kvargil $B=+1/3$) annab tõelise barüoni ($B=+1$).

Teeme kolm näidisarvutust ka laengute jaoks. Prootonit moodustav kvarkide kombinatsioon on uud ning selle laengu kvantarv on

$q\left(uud\right)=2/3+2/3+(-1/3)=+1$

Neutroni kvargikombinatsioon on $udd$ ja selle laengu kvantarv on

$q\left(udd\right)=2/3+(-1/3)+(-1/3)=0$

Osakese ${\Sigma }^{-}$ (sigma miinus) kvargikombinatsioon on $dds$ ja laengu kvantarv on

$q\left(dds\right)=(-1/3)+(-1/3)+(-1/3)=-1$

Veidruse kvantarvud saab leida samal viisil. Osakese ${\Sigma }^{-}$ veidruse saame tabelist 44-3 ja $dds$ kvarkide summaarse veidruse tabelist 44-5.

Kuid tuleb märkida, et prootoni, neutroni, ${\Sigma }^{-}$ või mistahes barüoni mass ei ole seda moodustavate kvarkide masside summa. Näiteks on kolme kvargi kogumass prootonis $20MeV/c^2$ vaid tühine osa prootoni massist $938,3MeV/c^2$. Peaaegu kogu prootoni energia on tingitud (1) kvarkide liikumise siseenergiatest ja (2) väljadest, mis kvarke kokku seovad (seda käsitletakse punktis 44-9). (Meenutame, et mass on energiaga seotud Einsteini võrrandi $m=E/c^2$ kaudu.) Et enamik meie massist on tingitud prootonitest ja neutronitest meie kehas, siis võime öelda, et meie mass (ja seega ka kaal vannitoakaalul) on eeskätt meie sees olevate kvarkide liikumisenergiate ja kvarke siduvate väljade mõõt.

Pöördume nüüd osakeste nimekirjade juurest nende omavaheliste jõudude nimekirja juurde.

Vaatame meie raamatus esitatud teadmisi üldisemast perspektiivist. Kui meid huvitab ainult meid vahetult ümbritseva maailma ehitus, siis saame kenasti hakkama elektroni, neutriino, neutroni ja prootoniga. Nagu keegi kunagi on öelnud: „oma ühissõidukis „Kosmoselaev Maa,“ piisaks meile ka ainult nende osakeste tundmisest. Me võime tabada kosmilistes kiirtes mõne eksootilisema osakese, kuid enamik neist ilmneb meile ainult meie endi poolt suurte pingutuste ja kuludega ehitatud suurtes kiirendites.”

Energia seisukohalt vaadates tingib selliste jõupingutuste vajalikkuse asjaolu, et me elame väga madalate temperatuuride maailmas. Isegi Päikese keskmes on $kT$ väärtus ainult $1keV$. Eksootiliste osakeste tekitamiseks peame aga kiirendama prootoneid või elektrone energiateni $GeV$ ja $TeV$ ning kõrgemalegi.

Kuid kunagi ammu oli temperatuur kõikjal piisavalt kõrge, et sellised energiad tagada. Too kõrgete energiate aeg oli kohe pärast Suurt Pauku, milles tekkis universum (koos ruumi ja ajaga). Seega üheks põhjuseks, miks teadlased uurivad osakesi kõrgetel energiatel, on soov mõista, milline oli universum oma päris alguses.

Nagu kohe räägime, oli algselt universumi kogu ruum imeväike ja osakeste temperatuur selles ruumis erakordselt kõrge. Aja jooksul universum paisus ja jahtus madalamate temperatuurideni, nagu me näeme tänapäeval.

Väljendit „nagu me näeme tänapäeval“ tuleb siin mõista relatiivsusteooria kaudu: kui me vaatame kosmosesse, siis tegelikult me vaatame ajas tagasi, sest valgusel kulub tähtedelt ja galaktikatelt meieni jõudmiseks väga kaua aega. Kõige kaugemad objektid, mida saame tabada, on kvasarid (kvaasitähe taolised objektid), mis on meist $13\times {10}^9$ valgusaasta kaugusel asuvate galaktikate äärmiselt heledad südamikud. Iga selline südamik sisaldab tohutut musta auku, mis tõmbab ainet (gaasi ja ka tähti) enda poole. Musta augu poole liikuv aine kuumeneb ja kiirgab kolossaalsel hulgal valgust, mis on hoolimata hiiglasuurest kaugusest piisav kvasari avastamiseks. Kuid me „näeme “ kvasarit mitte selle tänapäevases olekus, vaid nii, nagu see oli kunagi siis, kui valgus miljardeid aastaid tagasi oma teekonda meie poole alustas.

Punktis 37-10 nägime, et suhtelist kiirust, millega galaktikad meile lähenevad või meist kaugenevad, on võimalik hinnata, kui mõõta kiiratud valguse lainepikkuse nihkeid. Kui jätame kõrvale meie naabergalaktikad ja vaatame ainult neist palju kaugemal olevaid galaktikaid, siis avastame üllatava fakti: kõik need liiguvad meist eemale!

Edwin Hubble tegi 1929. aastal kindlaks seose galaktika eemaldumiskiiruse $\nu$ ja selle kauguse $r$ vahel – need on võrdelised:

kus $H$ on Hubble’i parameeter. $H$ väärtust mõõdetakse tavaliselt kilomeetrites sekund- megaparseki kohta ($km/s\times Mpc$). Megaparsek on astrofüüsikas ja astronoomias kasutatav pikkusühik:

Hubble’i parameeter $H$ pole universumi algusest saadik olnud muutumatu väärtusega. Selle praeguse väärtuse määramine on äärmiselt raske, sest see nõuab väga kaugete galaktikate kiirguse mõõtmist. Kuid selle peatüki alguses olev pilt on võimaldanud uurijatel järeldada $H$ praeguseks väärtuseks

Me võime galaktikate eemaldumist universumi paisumisel kujutada ette nagu rosinate kaugenemist üksteisest rosinasaias sellal, kui tainas kerkib. Kõigis teistes galaktikates asuvad vaatlejad leiaksid, et kauged galaktikad kiirustavad ka neist vastavalt Hubble’i seadusele eemale. Jätkates meie analoogiat, võime öelda, et ühelgi rosinal (galaktikal) pole unikaalset või eelistatud vaatepunkti.

Hubble’i seadus on kooskõlas hüpoteesiga, et universum algas Suur Pauguga ja on sestsaadik paisunud. Kui me oletame, et paisumiskiirus on olnud konstantne (s.t $H$ väärtus on olnud muutumatu), siis saame hinnata Universumi vanust $T$, kui kasutame võrdust 44-19. Eeldame ka, et alates Suurest Paugust on mistahes Universumi osa (näiteks galaktika) eemaldunud meie asukohast võrduses 44-19 antud kiirusega $\nu$. Universumi osa eemaldumine kauguseni $r$ nõuab siis aega

Võrduses 44-21 antud $H$ väärtuse puhul on $T$ väärtuseks $13,8\times {10}^9$ aastat. Universumi paisumise keerukamad mudelarvutused annavad $T$ väärtuseks $13,7\times {10}^9$ aastat.