Фундаментальные взаимодействия

Элементарные частицы

В XIX в. было доказано, что многие вещества, например, кислород и углерод, состоят из элементарных компонентов, которые были названы атомами. Однако к началу 1930-х гг. выяснилось, что атомы далеко не самые элементарные частицы материи, т.к. сами состоят из ядра, содержащего протоны и нейтроны, окруженного роем движущихся электронов. В течение некоторого времени считалось, что протоны, нейтроны, электроны и фотоны это и есть все частицы, с помощью которых можно построить окружающий Мир. Однако дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования показали, что мир элементарных частиц не ограничивается только этими частицами. К 70-ым годам XX века было отрыто более 350 элементарных частиц.

Было замечено, что среди многообразия элементарных частиц одни участвуют в сильных взаимодействиях, а другие нет. (Подробнее о взаимодействиях будет ниже). Все сильновзаимодействующие частицы назвали адронами, а частицы, не участвующие в сильном взаимодействии – лептонами.

Наиболее известный из лептонов – электрон, был открыт Дж. Томсоном в 1897 г. Другой лептон, существование которого в 1930-х года предсказал В. Паули, получил название нейтрино n. Нейтрино занимает особое положение среди известных частиц. Во-первых, нейтрино является самой распространенной частицей во Вселенной. Во-вторых, это частица-призрак, которая чрезвычайно редко взаимодействует с другими видами материи. Поток нейтрино очень незначительно ослабляется, пронизывая толщу Солнца.

В 1936 г. в составе космических лучей был открыт еще один лептон – мюон m ^–. Во всех отношениях он напоминает электрон, правда, мюон в 207 раз тяжелее его.

Долгие годы электрон и мюон оставались единственными известными заряженными лептонами. Однако в 1975 г. был обнаружен третий заряженный лептон – таон t ^–. Его масса в 3500 раз больше массы электрона, но во всем остальном он подобен электрону и мюону.

Этим список известных лептонов отнюдь не исчерпывается. В 60-х годах XX века было установлено, что существует несколько типов нейтрино. Одни нейтрино рождается вместе с электроном, другие вместе с мюоном, третьи – с таоном. Т.е. существует электронное n_е, мюонное n_m и таонное n_t нейтрино. Поэтому общее число лептоном равно шести (табл.), однако если учесть, что у каждого лептона есть своя античастица, то их общее количество возрастает до двенадцати.

В отличие от горстки лептонов адронов существует буквально сотни. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях, и встречаются в двух разновидностях – электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и распадаются либо менее за одну миллионную секунды за счет слабого взаимодействия, либо гораздо быстрее (за 10^–23 с) – за счет сильного взаимодействия.

В 60-х годах физиков крайне озадачила численность адронов. Поэтому все усилия были направлены на поиск порядка в мире адронов. Решающий шаг был сделан в 1963 г., когда М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг предложили кварковую модель строения адронов.

Основная идея этой модели проста. Все адроны построены из более мелких частиц – кварков. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк-антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы – барионы. Более легкие пары кварк-антикварк образуют частицы, получившие название мезоны. Чтобы учесть все известные в настоящее время адроны доказывается существование шесть различных типов (ароматов) кварков, получивших довольно причудливые названия: u (от up – верхний), d (от down – нижний), s (от stгange – странный), c (от chaгm – очарование), b (от beauty – красота) и t (от tгuth – истинный).

Кварки обладают следующими свойствами.

1) Кварки имеют дробный электрический заряд (±2/3 е или ±1/3 е).

2) Кварки кроме электрического заряда имеют "сильный" заряд или " цвет ", который может принимать три значения: красный, желтый и синий. Гипотеза о существовании у кварков цвета была предложена в 1965 г. Н.Н. Боголюбовым, Б.В. Струминским, А.Н Тавхелидзе для согласования кварковой модели адронов с принципом Паули. Противоречие с принципом Паули было устранено с помощью принципа бесцветности адронов, согласно которому допускаются возможными только те сочетания кварков разных цветов, смесь которых бесцветна. Так, бесцветную комбинацию дают кварки красного, зеленого и синего цвета. Цвет каждого антикварка дополнителен цвету кварка, так что пара кварк-антикварк также бесцветна.

3) Взаимодействие кварков осуществляется благодаря обмену глюонами. Глюоны – это кванты сильного ядерного поля, которое кварки создают и которое на них же и воздействует. Масса каждого глюона равна нулю, так что в вакууме они движутся со скоростью света. Кроме того, глюоны еще окрашены (например, фотоны –кванты электромагнитного поля – не заряжены). Поэтому при испускании и поглощении глюонов изменяется цвет кварков, но аромат при этом сохраняется. Будучи окрашенными и обмениваясь цветом, глюоны также взаимодействуют друг с другом.

4) Теория взаимодействия цветных кварков и глюонов называется квантовой хромодинамикой. Согласно этой теории сила взаимодействия между кварками при увеличении расстояния между ними возрастает. Поэтому в отличие от ранее известных элементарных частиц, кварки пока не могут быть обнаружены в свободном состоянии.

5) Характерно, что при уменьшении расстояния между кварками происходит ослабление их взаимодействия, т.е. чем ближе кварки друг к другу, тем большее сходство они имеют со свободными частицами. Это свойство называется асимптотической свободой.

В свойствах лептонов и кварков присутствует определенная закономерность (табл.). Эти частицы четко разделяются на три группы, которые часто называют семействами. Каждое семейство состоит из двух кварков, электрона или одного из его родственников, и одного из типов нейтрино. Свойства соответствующих частиц в трех семействах идентичны за исключением массы, которая последовательно увеличивается. В настоящее время доказано, что все вещество, естественное или полученное искусственно при помощи гигантских ускорителей, состоит из комбинаций частиц, входящих в эти семейства, и соответствующих им античастиц.

Таблица – Три семейства фундаментальных частиц (масс частиц в долях массы протона)

Фундаментальные взаимодействия

Разделение кварков и лептонов на семейства, вносит какую-то видимость порядка, в субатомном мире. Однако картина только усложнится, если перейти к рассмотрению существующих между частицами взаимодействиям.

В окружающем нас Мире много самых различных способов оказания воздействий, но все они могут быть сведены к сочетаниям четырех основных типов взаимодействий – гравитационного, электромагнитного, слабого ядерного и сильного ядерного. Эти взаимодействия получили название фундаментальных взаимодействий.

Таблица – Фундаментальные взаимодействия

* характеризует интенсивность взаимодействия, представляет собой вероятность процессов, обусловленных данным видам взаимодействия.

Гравитационное взаимодействие универсально и наиболее привычно для нас, благодаря ему наша планета удерживается на орбите, вращаясь вокруг Солнца, а наши ноги твердо стоят на земле.

Хорошо известным видом взаимодействия являются также и электромагнитные силы. Этим силам мы обязаны комфортом современной жизни, они используются в электрическом освещении, компьютерах, телевидении, телефонах, кроме того, они лежат в основе устрашающей мощи грозы и нежного прикосновения человеческой руки. На микроскопическом уровне электрический заряд частиц играет ту же роль, что и масса для гравитационного взаимодействия. Он определяет величину электромагнитного воздействия частицы и ее отклик на электромагнитное воздействие со стороны других частиц.

Сильное и слабое ядерные взаимодействия менее известны, т.к. их сила быстро убывает с расстоянием и играет существенную роль только на субатомном уровне – внутри ядер. В этом состоит и причина того, что они были открыты совсем недавно. Сильное взаимодействие удерживает кварки в "склеенном" состоянии внутри адронов, оно же удерживает протоны и нейтроны плотно упакованными в атомном ядре. Наиболее известное проявление слабого взаимодействия связано с радиоактивным распадом веществ, например, урана.

У фундаментальных взаимодействий есть три общих свойства.

1) На микроскопическом уровне каждому взаимодействию соответствует частица, которая может рассматриваться как квант силового поля. Квантами электромагнитного взаимодействия являются фотоны, слабого – слабые калибровочные бозоны, сильного – глюоны. Считается, что с гравитационным взаимодействием связана частица – гравитон, однако ее существование пока не получило экспериментального подтверждения.

2) Точно так же как для гравитационного взаимодействия степень влияния на тело определяется его массой, а для электромагнитного взаимодействия – зарядом, мера влияния сильного взаимодействий на все частицы определяется сильным зарядом или цветом, а слабого взаимодействия – слабым зарядом, который, как правило, называют константой слабых взаимодействий. Т.е. с каждым взаимодействием связан какой-либо заряд.

3) Все четыре взаимодействия непосредственно связаны с принципами симметрии. Гравитационное взаимодействие налагает симметрию, которая гарантирует равноправие всех возможных систем отсчета. Сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия тоже связаны с симметриями, хотя эти виды симметрии значительно более абстрактны.

Для того чтобы получить общее представление о них, рассмотрим следующий пример. Как известно, каждый кварк имеет некоторый цветной заряд. Все полученные к настоящему времени данные свидетельствуют о том, что между кварками наблюдается симметрия: все взаимодействия между одноцветными и разноцветными кварками являются идентичными. На самом деле эти факты еще более поразительны. Если три цвета, т.е. три различных сильных заряда, сдвинуть определенным образом (грубо говоря, если красный, желтый и синий изменятся и станут, например, коричневым, зеленым и фиолетовым), то взаимодействие между кварками останется совершенно неизменным. Т.е. наша Вселенная обладает симметрией сильного взаимодействия: физические явления не изменятся при сдвигах зарядов этого взаимодействия, Вселенная совершенно не чувствительна к ним. Подобного рода симметрии называются калибровочными симметриями.

Аналогично тому, что симметрия между всеми системами отсчета в требует существования гравитационной силы, калибровочная симметрия требует существования других видов сил. Подобно тому, как система климат-контроля поддерживает в помещении на постоянном уровне температуру, давление и влажность воздуха путем компенсации внешних воздействий, некоторые типы силовых полей, обеспечивают компенсацию сдвигов зарядов сил, сохраняя неизменность физических взаимодействий между частицами. В случае калибровочной симметрии, связанной со сдвигом цветовых зарядов кварков, требуемая сила представляет собой не что иное, как сильное взаимодействие.

Похожие рассуждения, примененные к слабому и электромагнитному взаимодействиям, показывают, что их существование также связано с некоторыми видами калибровочной симметрии – так называемой слабой и электромагнитной калибровочной симметриями.

Эти общие характеристики всех четырех фундаментальных взаимодействий говорит в пользу предположения об их генетическом единстве.