Взаимодействия элементарных частиц
Огромное
многообразие физических явлений, происходящих при столкновениях элементарных
частиц, определяется всего лишь четырьмя типами взаимодействий. Эти
типы взаимодействий называют фундаментальными:
1.
Сильное
(Ядерное)
2. Электромагнитное
3. Слабое
4. Гравитационное
Сильное
Обуславливает
связь нуклонов в ядре. Чрезвычайно огромные ограниченного радиуса силы,
действующие только между соседними нуклонами. Они обуславливают сильную связь
нуклонов в ядре и превосходят гравитационные силы в 1040 раз. Лежит
в основе ядерных сил, действующих между протонами и нейтронами, входящими в
состав атомных ядер. Кроме того, ему подвержены и все адроны, т.е. все частицы,
имеющие кварковую внутреннюю структуру.
Переносчики
взаимодействия
–
глюоны
Радиус
действия
–
10-15 м
Интенсивность
–
безразмерная
константа взаимодействия G2
Характерное
время -
Электромагнитное
Характерно
для всех элементарных частиц за исключением нейтрино, антинейтрино, фотона. Главной
его сферой являются атомы и молекулы, структура которых полностью определяется
им. Структура твердых тел также определяется электромагнитным взаимодействием.
Все химические превращения веществ обусловлены, в конечном счете,
электромагнитным взаимодействием. Электромагнитное взаимодействие не изменяется
при замене знака зарядов всех взаимодействующих частиц. В основе
электромагнитного взаимодействия заряженных частиц лежит обмен фотонами,
квантами электромагнитного поля.
Переносчики
взаимодействия
–
фотон
Радиус
действия
–
∞
Интенсивность
(по сравнению с сильным) –
1/137
Характерное
время
–
10-20с
Слабое
Ответственно
за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино, а
так же безнейтринные процессы с большим временем жизни (ф > 10-10с).
Как
сильное и электромагнитное, имеет обменный характер. Одна из частиц испускает
промежуточный векторный бозоны
Переносчики
взаимодействия
–
три
тяжелых векторных бозона
Радиус
действия
–
10-18 м
Интенсивность
(по сравнению с сильным) – 10-10
Характерное
время
-
10-13 с
Гравитационное
Присуще
всем телам. Ему
подвержена вся материя в целом. В этом состоит закон всемирного тяготения.
Радиус его действия бесконечен. Гравитационное взаимодействие проявляется
главным образом между макроскопическими телами. Оно определяет движение планет и
звезд. Структура Вселенной в целом определяется этим взаимодействием.
Гравитационное взаимодействие элементарных частиц не наблюдается ввиду малости
масс элементарных частиц.
Переносчики
взаимодействия
–
гравитон
Радиус
действия
– ∞
Интенсивность
(по сравнению с сильным) –
10-39
Характерное
время
–
109 с
Обилие
открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они
построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г.
американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная
последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы – адроны – построены из более
фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы
не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано
существование новых.
Теория
Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков,
соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из
трех кварков. Антибарион строится из трех антикварков. Мезоны состоят из пар
кварк–антикварк.
Как
и лептоны, кварки делятся на 6 типов
и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном
взаимодействии.
Калибровочные
бозоны
— частицы, посредством обмена которыми осуществляются
взаимодействия:
·
фотон
— частица, переносящая электромагнитное взаимодействие. Не обладают массой, тем
не менее могут переносить энергию и импульс;
·
восемь
глюонов
— частиц, переносящих сильное взаимодействие;
·
три
промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое
взаимодействие;
·
гравитон
— гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие.
Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со
слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако
гравитон не входит в Стандартную модель элементарных
частиц.
Адроны
и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных видов
излучения. Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует
хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен
экспериментально.
В
обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не
являются атомами и атомными ядрами, за исключением протона и
нейтрона.
Другие
элементарные частицы на данный момент считаются бесструктурными и
рассматриваются как первичные – фундаментальные частицы, под которыми понимаются
микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения
других свободной частиц.