Главная | Обратная связь

Фундаментальные взаимодействия в природе

 

Рождение элементарных частиц является результатом взаимодействия (столкновения) высокоэнергетичных частиц между собой, т. е. они появляются в результате ядерных реакций. Это свойство элементарных частиц — релятивистский эффект, обусловленный соотношением между массой частицы m, ее энергией Е и импульсом р:

 

Е² =р²с² +m²с⁴. (12.1)

 

Отсюда сразу следует известное соотношение Эйнштейна

 

Е₀ =mс², (12.2)

 

означающее, что энергия покоя тела пропорциональна его массе. Тем самым массу частиц можно выражать в энергетических единицах, что и принято в физике элементарных частиц. Для стабильных или долгоживущих частиц массу определяют путем независимого измерения энергии и импульса частицы и применения формулы (12.1). Естественной единицей в атомной физике, как мы уже неоднократно подчеркивали, является 1 эВ. Несмотря на то, что это внесистемная единица, ею пользуются, поскольку она правильно

отражает масштаб атомных явлений. В физике элементарных частиц, как и в физике высоких энергий, широко распространены производные от электрон- вольта единицы — мегаэлектронвольт 1 МэВ = 10⁶ эВ), гигаэлектронвольт 1 ГэВ = 10⁹ эВ), терраэлектронвольт 1 ТэВ = 10¹² эВ).

Рассмотрим вначале, как расположены по энергии частицы массой примерно до 1 ГэВ. На рис. 12.1 показаны расположение частиц по массам, их периоды полураспада и обозначения; стрелками изображены каналы распада частиц; для наглядности масштаб по энергии соблюден не всюду.

Как видно из рисунка, частицы расположены неравномерно. Рядом с нейтроном и протоном расположены Λ-частица массой 1115 МэВ и три сигмы, называемые сигма-минус, сигма-нуль и сигма-плюс, с почти одинаковыми массами около 1190 МэВ. Группы частиц почти одинаковой массы называются мультиплетами. Первый мультиплет — это пара (дублет) протон- нейтрон (нуклоны N), потом идут гипероны: синглет (одиночка) лямбда, потом — триплет (тройка) сигм. Частицы с меньшей, чем нейтрон и протон

массой, — триплеты пионов и К-мезонов — образуют группу мезонов. Три заряженные частицы — электрон е^-, мюон μ^-, таон τ^- (он на рис. 12.1 не уместился, так как его масса 1784 МэВ, время жизни 3 • 10^-13 с) и три нейтральных нейтрино — электронное ν_e, мюонное ν_μ и таонное ν_τ — образуют группу лептонов. В ядерных реакциях нейтрино различных сортов участвуют только в паре с соответствующими лептонами. Так, нейтрино от распада при взаимодействии с веществом рождают лишь от π+ -мезона

(π+ —> μ⁺ν_μ отрицательные мюоны (ν_μ + N—>μ^- + ...) и не могут рождать лептоны μ⁺ е^±, τ^±. Этот факт нашел свое отражение в выводе о существовании трех лептонных зарядов (см. ниже). Вне рассмотренной систематики остался пока только фотон — квант электромагнитного поля.

 

 

 

Рис. 12.1

Элементарных частиц насчитывается очень много, однако по величине взаимодействия их можно разделить на четыре класса. Характеризующие эти классы взаимодействия называются сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным.

Термин «сильное» или «слабое» взаимодействие является эмоциональным выражением скорости наблюдаемых процессов, поскольку физик измеряет в эксперименте скорость реакции — абсолютную скорость и скорость относительно других реакций. Скорости, наблюдаемые при сильных и слабых взаимодействиях, настолько резко отличаются друг от друга, что вполне однозначно выделяются эти два класса реакций между частицами. Сильное взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов

и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях. Сильные взаимодействия проявляются и в высокоэнергетических столкновениях. Частицы, обладающие сильным взаимодействием, получили название адронов (h). Это самая многочисленная группа субъядерных частиц, она состоит из барионов (адронов с полуцелым спином) и мезонов (адронов с целым спином).

Рассмотрим типичный пример сильного взаимодействия, когда в процессе столкновения протона и π-мезона образуются Λ-частица и K-мезон

 

р + π^- —> Λ° + К⁰. 10^-23 с

 

Время взаимодействия быстрого (релятивистского) протона с π-мезоном составляет

10^-23 с. Сравним этот временной масштаб с таковым для слабых взаимодействий. Рожденная в высокоэнергетическом столкновении Λ-частица распадается на две дочерние

 

(Λ° —>> р + π^-) 3 • 10^-10 с

 

в среднем за 3 • 10^-10 с. Как мы увидим в дальнейшем, такой распад обусловлен слабым взаимодействием, и на этом примере видно, что интенсивность слабых взаимодействий составляет примерно 10^-14 от интенсивности сильных. Иллюстрацией малой нтенсивности слабых взаимодействий может служить и тот факт, что нейтрино, обладающие только слабым взаимодействием, беспрепятственно пронизывают, например, толщу как Земли, так и Солнца.

Для количественной оценки интенсивности различных взаимодействий между частицами вводится силовая константа g², пропорциональная вероятности идущих в результате этих взаимодействий процессов и равная отношению энергии взаимодействия на элементарной длине к характерной энергии.

В случае электромагнитного взаимодействия таковыми являются энергия

взаимодействия электронов на комптоновской длине волны е²/(4πε₀ ћ/mс) и

энергия покоя электрона mс²:

 

 

Величина е²/(4πε₀ ћс) встречалась нам уже неоднократно. Это так называемая постоянная тонкой структуры, она определяется отношением квадрата заряда частицы к ћс. Чтобы найти константу взаимодействия в других случаях, введем формально ядерный заряд q_яд, слабый заряд q_CJI и гравитационный q_гp и аналогично кулоновскому взаимодействию запишем потенциалы этих взаимодействий в виде q²/r, опустив множитель 4πε₀ (так записывается кулоновское взаимодействие в системе СГСМ).

Гравитационный заряд легко найти из сравнения «электромагнитного» взаимодействия

гравитационных зарядов двух протонов и их гравитационного взаимодействия:

 

(12.4)

 

где γ = 6,67 • 10^-8 см3/(г • с²) — гравитационная постоянная. Отсюда q²_рr = γm_p² и получаем

 

 

 

В случае сильного (ядерного) взаимодействия ядерный заряд можно оценить из средней энергии связи на нуклон в ядре Есв ~ 10 МэВ и радиуса ядра R_яд ~ 10^~12 см:

 

 

(12.6)

Итак, мы получаем для константы сильного взаимодействия величину

 

 

Выше приводились данные, свидетельствующие о том, что интенсивность слабого взаимодействия составляет 10^-14 сильного. Так как интенсивности

(вероятности) процессов пропорциональны силовым константам, то отсюда

сразу можно получить следующее соотношение для слабого заряда

 

 

В силу полученной для сильного взаимодействия оценки (12.7) окончательно имеем

 

 

(12.9)

 

Итак, хорошо известное электромагнитное взаимодействие по интенсивности лишь в 137 раз меньше сильного. Гравитационное взаимодействие в этом ряду стоит на последнем месте. Оно почти в 1038 раз слабее сильного, но им обладают все элементарные частицы. Конечно, во взаимодействиях между элементарными частицами оно никогда не учитывается, но взаимодействие частиц с макроскопическими телами — экспериментально установленный эффект. Так, например, искривление траектории пучка медленных нейтронов в поле земного тяготения неоднократно наблюдалось непосредственно.

Ясно, что в тех обстоятельствах, когда возможны и сильные, и слабые взаимодействия, преобладание сильных — подавляющее. Слабые процессы обнаруживают себя только там, где законы сохранения запрещают осуществление сильных взаимодействий. Поэтому слабым взаимодействиям раньше отводилась роль мусорщика, выметающего осколки после высокоэнергетических столкновений, отданных на откуп сильным взаимодействиям.

Задача слабых взаимодействий — удалять нестабильные продукты путем распадов. Однако именно в этих «скучных» продуктах были обнаружены нарушения фундаментальных физических законов — законов сохранения пространственной и комбинированной четностей. О нарушении зеркальной симметрии при /3-распаде мы уже говорили раньше.

Обсуждая ядерное взаимодействие, цементирующее нуклоны в ядре, мы

подчеркивали, что в квантовой теории поля взаимодействие частиц рассматривается как рождение или поглощение одной свободной частицей других

(виртуальных) частиц, иначе говоря, каждая частица окружена облаком

виртуальных частиц. С точки зрения классической физики это невозможно,

но в квантовой механике в соответствии с соотношением неопределенностей

частица может испустить виртуальную на короткое время

 

∆t ~ h/∆E,

 

где ∆Е — неопределенность в энергии, примерно равная энергии покоя виртуальной частицы mс². Если считать скорость движения виртуальной частицы равной скорости света с, то радиус действия возникающих таким образом обменных сил должен быть порядка ћ/mc, т. е. порядка комптоновской длины волны виртуальной частицы.

Переносчиком сильного взаимодействия является тг-мезон, сильно взаимодействующая частица наименьшей массы, и радиус действия ядерных сил составляет примерно 10^{-13 см. Эксперименты показывают, что радиус действия слабого взаимодействия ~ 10 см, т. е. масса ответственных за него виртуальных частиц должна быть ~ 100 ГэВ. Как следовало из теории, у слабого взаимодействия должно существовать три переносчика: нейтральный Z0}- и заряженные W⁺ и W ^- "-промежуточные бозоны. В 1983 г. эти частицы были зарегистрированы в экспериментах на встречных пучках, т. е. на пучках ускоренных частиц, направленных навстречу друг другу. То, что переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, мы уже неоднократно обсуждали. Переносчиком гравитационного взаимодействия, согласно существующим воззрениям, является гравитон, частица с нулевой массой, однако экспериментально он до сих пор не обнаружен.