Сильна взаємодія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Анімація процесів обміну віртуальними глюонами між кварками в складі нуклонів і обміну віртуальними піонами між нейтроном і протоном.

Си́льна взаємоді́я, сильна ядерна взаємодія — одна з чотирьох фундаментальних сил природи, інші три: електромагнітна, гравітаційна і слабка взаємодія.

Сильна ядерна взаємодія найпотужніша з взаємодій. Однак, вона проявляється на малих відстанях (10−15 м, відстані співмірні з розміром ядра атома), пов'язує разом кварки, об'єднуючи їх в адрони, а також пов'язує протони і нейтрони в ядрі атома. Частинками-носіями сильної ядерної взаємодії за сучасними уявленнями є глюони. Їх всього 8 типів, кожен з яких має нульову масу (маса спокою) і нульовий заряд. На відміну від обмінних частинок інших взаємодій, глюони можуть взаємодіяти один з одним через інший глюон.

Сильна ядерна взаємодія була вперше описана японським вченим-фізиком Хідекі Юкава в 1935 з використанням обмінних частинок — мезонів. Сучасний опис сильної взаємодії дає квантова хромодинаміка. Квантова хромодинаміка входить у так звану Стандартну модель, яка є сумою сучасних уявлень про будову мікросвіту, хоча й не може претендувати на завершене знання, оскільки не пояснює результатів деяких експериментів і не включає в себе теорію гравітації.

Історія[ред.ред. код]

Після відкриття нуклонів — протонів та нейтронів, стало зрозумілим, що вони утримуються в атомному ядрі силами, відмінними від відомих до того часу сил природи — електромагнітних та гравітаційних. Протони, з яких складаються ядра, заряджені однаково, і, вочевидь, існує сила, яка повинна протидіяти цьому відштовхуванню. Однак, дослідження ядерних реацій показали, що деякі процеси відбуваються швидко, з характерним часом порядку 10−23 с, а інші процеси — порівняно повільно, з характерним часом порядку 10−10 секунди, тож стало зрозумілим, що у світі ядер і елементарних частинок існують дві різні взаємодії, які назвали сильною та слабкою.

Першу теорію сильної взаємодії побудував Хідекі Юкава в 1935. За цією теорією радіус дії сильної взаємодії обмежений віддалями порядку розмірів ядерного ядра, тобто приблизно 10−13 см. Однак, із розвитком квантової хромодинаміки в 1960-тих та 1970-тих, уявлення про сильну взаємодію змінилися. За сучасними уявленнями сильна взаємодія є в першу чергу взаємодією між кварками, з яких складаються нуклони. Вона опосередкована іншими частинками — глюонами. Кварки і глюони мають властивість, яку називають кольоровим зарядом. Взаємодія між кольорово зарядженими частинками ще сильніша, ніж взаємодія між нуклонами. Крім того, вона не зменшується із збільшенням відстані між частинками. Тому кольорові частинки міцно зв'язані докупи в двійки і трійки, так щоб компенсувати кольоровий заряд, і утворити так звану «білу» композитну частинку, наприклад, нуклон. Це явище називається конфайнментом. Окремо кварки і глюони експериментально не спостерігаються. Взаємодія між нуклонами в такій схемі є тільки залишком від сильної взаємодії між кварками і глюонами, аналогічно тому, як взаємодія між нейтральними атомами є тільки залишком від взаєомодії електрично заряджених електронів та ядер.

Квантова хромодинаміка[ред.ред. код]

Докладніше у статті Квантова хромодинаміка

Основною характеристикою елементарної частинки, що надає їй здатність до сильної взаємодії, у рамках квантової хромодинаміки є кольоровий заряд. Усього існує три типи кольорових зарядів, які умовно називають червоним, зеленим і синім, і три типи кольорових антизарядів: античервоний, антизелений і антисиній. Усі ці назви конвенційні. Вони жодним чином не відповідають реальним кольорам, які люди бачать у повсякденному житті. Кольорові заряди мають два типи елементарних частинок: кварки і глюони. Кожен кварк може бути червоним, зеленим або синім, антикварк, відповідно, античервоним, антизеленим і антисинім. Глюони мають водночас колір і антиколір, зазвичай різні, наприклад червоний-антизелений глюон. Ця властивість дозволяє їм бути посередниками при взаємодії. Наприклад, червоний кварк при взаємодії може випромінити червоний-антизелений віртуальний глюон. При цьому він сам стає зеленим. Інший кварк, зелений, поглинає цей червоний-антизелений глюон і стає червоним. Таким чином, через обмін віртуальними глюонами, здійснюється сильна взаємодія.

Сильна взаємодія, гіпотетично, не спадає до нуля із зростанням віддалі між частинками. Ця її властивість називається конфайнментом. Завдяки конфайнменту, кольорові частинки сильно притягуються одна до одної. Кольорові заряди нейтралізуються двома способами: об'єднанням трьох різних кольорів і об'єднанням кольору і антикольору.

Три кварки із червоним, зеленим і синім зарядом утворюють «безколірну» або «білу» частинку, баріон, наприклад, протон. При цьому, внаслідок безперестанного обміну глюонами, неможливо сказати, який із кварків має який кольоровий заряд. Безколірна частинка взаємодіє із іншими безколірними частинками набагато слабше, ніж кварки взаємодіють між собою. Безколірними є також комбінації кварка та антикварка, які мають колір і антиколір. Саме таким чином утворюються мезони.

Поряд із конфайнметном характерною особливістю сильної взаємодії є асимптотична свобода — на малих відстанях і при високих енергіях взаємодія між кварками слабка, що дозволяє трактувати їх як вільні частинки.

Кварк-глюонна плазма[ред.ред. код]

Гіпотетично, крім баріонів та мезонів, існує ще один стан кварків та глюонів, у якому вони не зв'язані між собою у безколірні частинки — так звана кварк-глюонна плазма. Цей стан можливий при великій густині, коли кольоровий заряд екранується аналогічно екрануванню заряду в електрон-іонній плазмі.

Математичний опис[ред.ред. код]

Математично теорія сильної взаємодії є калібрувальною теорією, побудованої на групі симетрії SU(3). Відповідна калібрувальна інваріантність — це інваріантність щодо обертань у просторі кольорів. Група SU(3) це група матриць 3x3 із одиничним визначником. Інфінітоземальні генератори цієї групи представляються (як варіант) матрицями Гелл-Манна. Цих матриць всього вісім, що визначає число можливих глюонів.

Ядерна взаємодія[ред.ред. код]

Після побудови квантової хромодинаміки залишкову сильну взаємодію між нуклонами в ядрі стали називати ядерною взаємодією. Це взаємодія між безколірними частинками — результат обміну мезонами кварків, які входять до різних нуклонів. Ймовірність таких обмінів набагато менша, ніж імовірність обміну глюонами кварків у складі одного нуклона. Вона швидко спадає із віддаллю.

Ядерну взаємодію можна приблизно описати потенціалом Юкави:

 U = - g^2 \frac{e^{-kr}}{r} ,

де U — потенціал взаємодії, g — константа, що описує інтенсивність взаємодії, k — величина обернена радіусу ядерної взаємодії. Цей потенціал аналогічний екранованому кулонівському потенціалу.

Ядерна взаємодія відповідає за притягання нуклонів у складі ядра. Вона протидіє кулонівському відштовхуванню зарядів протонів. Оскільки ядерна взаємодія зростає із збільшенням зарядового числа ядра повільніше, ніж кулонівська, ядрам із більшим зарядом потрібно більше нейтронів для забезпечення стабільності. Однак, нейтрон нестабільна частинка щодо слабкої взаємодії, тому ядра атомів із великим атомним номером нестабільні щодо радіоактивного розпаду або поділу.

Перспективи об'єднання[ред.ред. код]

Пошуки теорії великого об'єднання сильної, слабкої та електромагнітної взаємодії ведуться, з використанням груп симетрії SU(5) і складніших математичних об'єктів. Таке об'єднання повинно наступати при енергіях принаймні 1014 ГеВ, що на багато порядків перевищує сучасні експериментальні можливості людства.

Див. також[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]


Фундаментальні взаємодії
Гравітація | Електромагнітна взаємодія | Слабка взаємодія | Сильна взаємодія