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 -  с

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 ,  или , а другая — его поглощает.

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.