ФИЗИКА

9.4. Типы взаимодействий элементарных частиц

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности их протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно феноменологически разделить на четыре типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Рассмотрим каждое из них.

1. Сильное взаимодействие выделяется как взаимодействие, которое вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими процессами, интенсивностью. Оно приводит и к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильное взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях. Но у сильных взаимодействий есть и слабые стороны, позволяющие в ряде ситуаций выдвигаться на первый план другим взаимодействиям. Во-первых, сильные взаимодействия – короткодействующие. Их роль быстро становится ничтожной при переходе к расстояниям, превышающим 10-15 м. Поэтому, например, обеспечивая стабильность ядер, эти силы практически не влияют на атомные явления. Другим «слабым местом» сильных взаимодействий является их неуниверсальность. Существуют частицы (фотон, электрон, мюон, τ-лептон, нейтрино трёх видов), которые не подвержены действию сил, обусловленных сильными взаимодействиями, и не могут рождаться за счёт сильных взаимодействий при столкновениях. Наконец, третьим ограничительным свойством сильных взаимодействий является то, что для них существует ряд законов сохранения, не выполняющихся по отношению к другим взаимодействиям.

Сильное взаимодействие является результатом обмена взаимодействующих частиц π-мезонами.

2. Следующими по интенсивности являются электромагнитные взаимодействия. Их интенсивность значительно ниже сильных, но на много порядков выше, чем остальных. В отдельных случаях электромагнитные взаимодействия оказываются конкурентоспособными по отношению к сильным даже в области действия последних. Например, именно кулоновскими силами объясняется процесс деления ядер. Но главной областью деятельности электромагнитных сил являются расстояния от 10-14 м и до сантиметров. Отметим, прежде всего, что именно электромагнитное взаимодействие ответственно за существование основных «кирпичиков» вещества – атомов и молекул и определяет взаимодействие положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов в этих микросистемах. Поэтому к электромагнитному взаимодействию сводится большинство сил, наблюдаемых в макроскопических явлениях: силы упругости, трения, поверхностного натяжения в жидкостях и другие. Свойства различных агрегатных состояний вещества, химические превращения, электрические, магнитные и оптические явления определяются электромагнитным взаимодействием. Электромагнитную природу имеют явления сверхпроводимости и сверхтекучести, процессы излучения, распространения и поглощения радиоволн, света, рентгеновских лучей. Ионизация и возбуждение атомов среды электрическим полем быстро движущихся частиц приводит к свечению ионосферы при попадании в неё корпускулярных потоков от Солнца (северное сияние). Давление света, приводящее в частности, к образованию «хвоста» у комет во время их прохождения вблизи Солнца – также следствие электромагнитного взаимодействия. Взаимодействие электромагнитного поля с веществом используется для инициирования термоядерных реакций при сверхсильном сжатии твёрдых мишеней сфокусированным лазерным излучением. Процессы расщепления ядер фотонами, реакции фоторождения мезонов, радиационные распады элементарных частиц и возбуждённых состояний ядер, упругое и неупругое рассеяние электронов, мюонов и позитронов обусловлены электромагнитным взаимодействием и т.д.

Таким образом, электромагнитное взаимодействие обусловливает подавляющее большинство явлений окружающего нас мира.

Явления, в которых участвуют слабые (ε << mc2), медленно меняющиеся (ħω << ε) электромагнитные поля, управляются законами классической электродинамики, которая описывается уравнениями Максвелла.

В приведённых неравенствах ε - энергия электромагнитного поля, mc2 - энергия покоя электрона, ω - характерная круговая частота изменения поля.

Для сильных или быстро меняющихся полей ε ~ mc2, ε ~ ħω определяющую роль играют квантовые явления, а потому взаимодействия с помощью таких полей описываются уравнениями квантовой электродинамики.

Согласно её представлений процесс взаимодействия между двумя заряженными частицами, например, электронами, заключается в обмене фотонами. Каждая частица создаёт вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Действие поля на другую частицу проявляется в результате поглощения ею одного из фотонов, испущенных первой частицей. Такое описание взаимодействия нельзя понимать буквально. Фотоны, посредством которых осуществляется взаимодействие, являются не обычными реальными фотонами, а виртуальными. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаружены за время своего существования. Ещё раз поясним смысл термина «виртуальный» (первый раз мы столкнулись с ним при объяснении взаимодействия нуклонов).

Для этого рассмотрим покоящийся электрон. Процесс создания им в окружающем пространстве поля можно представить уравнением

(9.4.1)

Суммарная энергия электрона и фотона больше, чем энергия покоящегося электрона. Следовательно, превращение, описываемое уравнением (9.4.1), сопровождается нарушением закона сохранения энергии. Однако для виртуального фотона это нарушение является кажущимся. Согласно квантовой механике энергия состояния, существующего время Δt, оказывается определённой лишь с точностью ΔE, удовлетворяющей соотношению неопределённости:

(9.4.2)

Из этого соотношения вытекает, что энергия системы может претерпевать отклонения ΔE, длительность которых Δt не должна превышать значения, определяемого условием (9.4.2). Следовательно, если испущенный электроном виртуальный фотон будет поглощён этим же или другим электроном до истечения времени Δt = ħ/ε (где ε = ħω), то нарушение закона сохранения энергии не может быть обнаружено.

При сообщению электрону дополнительной энергии (это может произойти, например, при соударении его с другим электроном) вместо виртуального может быть испущен реальный фотон, который может существовать неограниченно долго.

За определяемое условием (9.4.2) время Δt = ħ/ε виртуальный фотон может передать взаимодействие между точками, разделёнными расстоянием ℓ:

(9.4.3)

Энергия фотона ε = ħω может быть сколь угодно мала (частота ω изменяется от 0 до ∞). Поэтому радиус действия электромагнитных сил является неограниченным.

Как фундаментальное электромагнитное взаимодействие изучается в явлениях на малых расстояниях (обычно порядка или меньше атомных), где существенны квантовые эффекты. Взаимодействие между фотонами (γ) и лептонами – электронами (e-), позитронами (e+), мюонами (μ+ , μ-), τ- лептонами, описываются уравнениями квантовой электродинамики.

Интенсивность электромагнитных взаимодействий в микромире пропорционально безразмерному параметру , называемому постоянной тонкой структуры.

Подобно сильным взаимодействиям электромагнитные взаимодействия имеют ряд свойств, ограничивающих проявление их мощи. Во-первых, электромагнитные взаимодействия у разных частиц проявляются с различной интенсивностью. Наиболее велики эти взаимодействия у электрически заряженных частиц.

Слабее проявляются электромагнитные взаимодействия у нейтральных частиц с ненулевыми массой и спином. Такие частицы (например, нейтрон) обладают магнитными моментами, имеющими порядок eħ/mc, где т – масса частицы. Через этот момент они в основном и взаимодействуют с электромагнитным полем. Ещё слабее электромагнитные взаимодействия проявляются у нейтральных бесспиновых частиц, например, у нейтрального пиона π0. Наконец, нейтрино практически неподвержены электромагнитным взаимодействиям. Во-вторых, для электромагнитных взаимодействий соблюдаются некоторые из законов сохранения, которые нарушаются в слабых (но не в сильных) взаимодействиях. Наконец, исключительно важным свойством электромагнитных взаимодействий является наличие, как отталкивания, так и притяжения в законе Кулона. Из-за этого, например, взаимодействие между атомами и вообще между любыми двумя телами с нулевыми суммарными зарядами имеет короткий радиус действия, несмотря на длиннодействующий характер кулоновских сил.

3. Слабое взаимодействие. В 1934 году Э. Ферми создал первую теорию β-распада. В этой теории он предположил существование особого типа сил, которые вызывают переход . На основе данных о времени жизни β-радиоактивных ядер была оценена величина этих сил. Дальнейшие исследования показали, что введённое Ферми взаимодействие имеет универсальный характер и обусловливает распад всех нестабильных частиц, массы которых и правила отбора по квантовым числам не позволяют им распадаться за счёт сильного или электромагнитного взаимодействия. Так возникли (и были подтверждены экспериментально) представления об универсальном слабом взаимодействии.

Так же как и ядерные силы, силы слабого взаимодействия относятся к числу короткодействующих. Радиус действия этих сил даже во много раз меньше радиуса действия ядерных сил. В течение длительного времени его вообще считали равным нулю. Сейчас после открытия квантов слабого взаимодействия – промежуточных W+, W-, и Z0 - бозонов, массы которых соответственно равны 81 и 93 ГэВ, радиус слабого взаимодействия оценивают равным rсл ≈ 2⋅10-18 м, что более чем в 600 раз меньше радиуса сильного взаимодействия. W+, W- и Z0 - бозоны – нестабильные частицы, их время жизни составляет всего 3⋅10-25 с.

Бета-распад происходит за счёт слабого взаимодействия. Следовательно, в нём должен участвовать промежуточный бозон. В соответствии с этим, например, распад нейтрона в действительности представляет собой двухступенчатый процесс:

(9.4.4)

затем

Силы между частицами, вызываемые слабыми взаимодействиями, на всех доступных исследованию расстояниях безнадёжно малы по сравнению с силами, обусловленными сильными или электромагнитными взаимодействиями. Правда, слабые взаимодействия так быстро нарастают с уменьшением расстояний, что в масштабах порядка они могут стать сравнимыми с сильными. Но исследования на таких расстояниях пока лежат вне технических возможностей. Слабые взаимодействия порождают не только силы, но и процессы взаимопревращений частиц. И здесь эти взаимодействия, оказывается, способны делать многое, недоступное как сильным, так и электромагнитным взаимодействиям. Так, только под влиянием слабых взаимодействий частица сигма-плюс-гиперон распадается на протон и нейтральный пион:

(9.4.5)

Многие другие частицы (гипероны, каоны, мюоны) были бы стабильными при отсутствии слабых взаимодействий. Слабое взаимодействие обусловливает все процессы с участием нейтрино, поскольку нейтрино обладает лишь слабым (и гравитационным) взаимодействием. Слабое взаимодействие, по-видимому, не приводит к образованию связанных состояний.

4. Гравитационное взаимодействие – универсальное взаимодействие (притяжение) между любыми видами материи (частицами и физическими полями).

Из всех взаимодействий оно является самым слабым и в современной теории элементарных частиц обычно не учитывается. Гравитационное взаимодействие – дальнодействующее, т.е. его радиус действия равен бесконечности. Вследствие этого, а также потому, что (в отличии от электрических зарядов) «гравитационные заряды» – массы частиц (или тел) существуют лишь одного знака, действие всех частиц макроскопического тела суммируется и в макромире гравитационное взаимодействие играет очень важную роль.

Если поле тяготения достаточно слабое и тела движутся медленно по сравнению со скоростью света с, то справедлив закон всемирного тяготения Ньютона:

(9.4.6)

где - гравитационная постоянная.

В общем случае (включающем сильные поля тяготения и скорости движения, сравнимые со скоростью света, тяготение описывается общей теорией относительности (ОТО) Эйнштейна.

ОТО является обобщением ньютоновской теории тяготения на основе специальной теории относительности. ОТО описывает тяготение как воздействие физической материи на свойства четырёхмерного пространства-времени, которые в свою очередь влияют на движение материи и другие физические процессы: материя искривляет пространство-время, и это искривление, проявляемое как тяготение, влияет на движение материи. В таком пространстве-времени движение тел по инерции происходит уже не по прямым, а по искривлённым линиям и с переменной скоростью. Геометрия такого пространства оказывается неевклидовой: сумма углов треугольника не равна π, отношение длины окружности к радиусу не равно 2π и т.д., а время в разных точках течёт по разному, причём, чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее течёт время. Эйнштейновская теория тяготения приводит (по сравнению с ньютоновской) к качественно новым эффектам: существованию гравитационных волн, испускаемых ускоренно движущимися телами, гравитационному красному смещению, возможности возникновения «чёрных дыр» и др. Теория Эйнштейна – неквантовая теория. В квантовой теории тяготения, построение которой не завершено, гравитационные волны можно рассматривать как поток квантов-гравитонов, представляющих собой электрически нейтральные частицы с нулевой массой покоя и со спином 2.

В подавляющем большинстве процессов во Вселенной квантовые эффекты гравитации чрезвычайно слабы. Но вблизи сингулярностей поля тяготения (когда плотность вещества становится равной ∞), квантовые эффекты должны быть определяющими. Эта область начинается, когда радиус кривизны пространства-времени становится равным величине

(9.4.7)

На меньших расстояниях теория тяготения Эйнштейна неприменима.

Возможно, что трудности в построении теории элементарных частиц могут быть устранены учётом гравитационного взаимодействия на этих расстояниях. Кажется правдоподобным, что именно планковская длина (9.4.7) может быть фундаментальной длиной, определяющей размеры «истинно элементарных частиц», и включение гравитационного взаимодействия в единую теорию элементарных частиц устранит расходимости в квантовой теории поля.

«Силу» различных типов взаимодействий элементарных частиц можно приближённо охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами соответствующих констант взаимодействий. Для сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий протонов при средней энергии процесса ~ 1 ГэВ эти параметры соотносятся как 1:10-2:10-10:10-38. Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабого взаимодействия безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами интенсивности различных процессов по разному зависят от энергии. Это приводит к тому, что относительная роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняется с ростом энергии взаимодействующих частиц, так что разделение взаимодействий по типам, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные типы взаимодействий имеют, однако, и другую специфику, связанную с различными свойствами их симметрии, которая способствует их разделению и при более высоких энергиях. Сохранится ли такое деление взаимодействий элементарных частиц по типам в пределе самых больших энергий, пока остаётся неясным.

к к к