Переносчики фундаментальных взаимодействий

Все виды фундаментальных взаимодействий носят обменный характер – любые две частицы взаимодействуют друг с другом путём обмена третьей промежуточной частицей, которая называется переносчиком взаимодействия. Обменный характер ядерных сил был описан ранее (см. § 36.3). В общем случае взаимодействие между частицами a и c схематически можно представить в виде:

Частица a испускает некоторую частицу x и превращается в частицу b–процесс (37.4). Далее частица x поглощается частицей c, в результате чего рождается частица d – процесс (37.5). В итоге частица x, сыграв свою роль переносчика взаимодействия исчезает, а частицы a и c превращаются в частицы b и d:

Если a= b и c = d, то реакции (37.4) – (37.6) описывают реакции упругого рассеяния

Относительно процессов (37.7) и (37.8) необходимо сделать следующее замечание. В рамках классической физики протекание этих процессов запрещено законом сохранения энергии, поскольку W_a< W_x+W_a, а W_a< W_x+W_c >W_c. Однако необходимо иметь в виду, что всеми процессами в микромире управляют законы квантовой механики. Согласно соотношению неопределённостей (см. § 30.2)

Если состояние системы существует в течение некоторого промежутка времени Dt, то энергия состояния не имеет фиксированного значения и определена лишь с точностью DW~ h/Dt.

С помощью соотношения (37.10) процессы (37.7) и (37.8) можно трактовать следующим образом: частица a испускает частицу x, которая быстро (за время Dt) поглощается другой частицей c. При этом частица x при своём рождении «заимствует» энергию DW у частицы a и возвращает её частице c, в результате чего никакого нарушения закона сохранения энергии в итоговых реакциях (37.6) и (37.9) нет. Переносчик взаимодействия – частица x может существовать в течение времени Dt ~ h/DW ~ h/m_xc², после она должна поглотиться частицей c. Расстояние, которое может пройти частица x за время своего существования, определяет радиус действия соответствующего вида взаимодействия:

(37.11)

Соотношение (37.11) можно использовать для оценки массы переносчика взаимодействия

(37.12)

Именно таким образом была оценена масса переносчика ядерного взаимодействия p–мезона (Х. Юкава, 1935 г.).

Рассмотрим кратко характеристики переносчиков взаимодействия.

1. Переносчиком гравитационного взаимодействия служат гравитоны: G–частицы с массой покоя m=0, электрическим зарядом Q=0 и спином J=2. Поскольку масса гравитона равна нулю, то радиус гравитационного взаимодействия (см. 37.11). Из–за чрезвычайно малой интенсивности гравитационного взаимодействия гравитоны пока не обнаружены и вряд ли будут обнаружены в обозримом будущем.

2. В слабом взаимодействии переносчиками являются бозоны W⁺, W^– и Z⁰, которые имеют электрический заряд Q=+e, –e, 0 соответственно и большие массы

Поскольку массы бозонов отличны от нуля, то слабое взаимодействие оказывается короткодействующим ( ).

Эти бозоны были обнаружены экспериментально в 1983 г.

3. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является электрически нейтральный безмассовый фотон g со спином J=1. Так как масса фотона равна нулю, то радиус действия электромагнитных сил .

4. Сильное взаимодействие осуществляется путём обмена кварков частицами, которые получили название глюонов (от англ. glue – клей). Имеется восемь электрически нейтральных (Q=0), безмассовых (m=0) глюонов g_i со спином J=1. Каждый глюон имеет один из цветов (R,G или B) или антицветов. При испускании или поглощении глюонов изменяется цвет кварков, но не аромат (тип кварка). Цвет в сильном взаимодействии играет такую же роль, как и электрический заряд в электромагнитном взаимодействию. Поскольку глюоны сами имеют цвет, то они сами могут взаимодействовать друг с другом. В частности, возможны процессы расщепления глюона на несколько других глюонов или объединения их в одну частицу. Сложный характер кварк–глюонного взаимодействия приводит к тому, что несмотря на то, что масса глюона равна нулю, радиус действия сильного взаимодействия оказывается конечным.

Характер взаимодействия между кварками изучается в одном из разделов теории элементарных частиц – квантовой хромодинамике. Основное положение этой теории состоит в том, что в природе в свободном состоянии могут существовать лишь белые частицы. В связи с эти кварки (а также глюоны), будучи цветными частицами, не могут существовать в свободном состоянии, а могут находиться лишь внутри белых частиц – адронов. Это положение теории называется конфайментом (от англ. confinement – пленение) цвета и обосновывается тем, что энергия взаимодействия между кварками растёт неограниченно по мере увеличения расстояния между ними. Поэтому для вырывания кварка из адрона необходимо затратить бесконечно большую энергию. Как показывают оценки, если при r=10^–15 м энергия взаимодействия кварков равна 1 ГэВ, то при r=10^–14 м она равна уже 10 ГэВ, а для того развести кварки на расстояние 1 см требуется энергия 10²² эВ(!). В то же время на очень малых расстояниях кварки практически «не чувствуют» друг друга, что получило название асимптотической свободы.

Рис.37.1

Невозможность наблюдения кварков в свободном состоянии объясняется в модели струн, в соответствии с которой глюонное поле между двумя кварками, разнесенных на достаточно большое расстояние, сжимается в результате самодействия в тонкую трубку (струну). При дальнейшем разнесении кварков энергия глюонного поля, накапливаемая в струне, становится достаточной для рождения кварк – антикварковой пары. В результате струна разрывается, на её свободных концах возникает один кварк и один антикварк, так что вместо образования свободных кварков происходит рождение мезонов (рис. 37.1).

Можно сказать, что кварки в адроне ведут себя подобно полюсам магнита. При его разрезании не образуются северный и южный полюсы, а получаются два новых магнита.

Модель эта подтверждена экспериментально (Г. Хансон и др., 1976 г.). При соударении электрона e^– и позитрона e⁺ , возникающего в ускорителе на встречных пучках, рождались кварк – антикварковые пары . За счёт увеличения расстояния между и возникали процессы, которые изображены на рис. 37.1в. Таким образом, на опыте должны наблюдаться две адронные струи, разлетающиеся в противоположные стороны (рис. 37.2): одна в направлении первичного кварка, другая – в направлении первичного антикварка. Подобная двухструйная структура и была обнаружена опытным путём.

Рис. 37.2

Великое объединение

Магистральный путь развития физики состоит в объединении различных типов взаимодействий. Первый шаг в этом направлении был сделан Д. Максвеллом (1860–1865 гг.), который всё многообразие электрических и магнитных явлений объединил в рамках единого электромагнитного взаимодействия. Над единой теорией гравитационного и электромагнитного взаимодействий работал А. Эйнштейн. Построению единой теории материи посвятил два десятилетия и другой крупнейший физик ХХ века – В. Гейзенберг. Однако обе попытки по разным причинам оказались безуспешными. В конце 70–ых годов прошлого века С. Вайнберг, Ш.Л. Глэшоу и А.Салам создали единую теорию электрослабых (т.е. электромагнитных и слабых) взаимодействий. Переносчиками электрослабого взаимодействия являются безмассовый фотон g и три массивных бозона W⁺, W^– и Z⁰. Несмотря на то, что m_g = 0, а массы бозонов отличны от нуля, их различием можно пренебречь при очень больших энергиях сталкивающихся частиц, т.е. при их сближении на очень малые расстояния (R<10^{-18 м}). Однако при увеличении расстояния между частицами (R>10^{-18 м}) роль бозонов как переносчиков взаимодействия ослабевает из–за малого радиуса действия слабого взаимодействия (см. § 37.8), поэтому главный вклад во взаимодействие между частицами вносит фотон. Таким образом, на расстояниях R>10^{-18 м} электрослабое взаимодействие проявляет себя как электромагнитное.

Теория Вайнбера– Глэшоу –Салама получила блестящее экспериментальное обоснование в 1982–1983 гг., когда были открыты W⁺, W^– и Z⁰ – бозоны, массы которых оказались в хорошем согласии с предсказаниями теории.

Успехи теории электрослабого взаимодействия стимулировали исследования в направлении дальнейшей унификации теории элементарных частиц. Сейчас создаётся единая теория слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий известная как теория великого объединения. Основной вывод этой теории состоит в том, что на расстоянии интенсивности слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий сравниваются, и всякое различие между ними исчезает. Наиболее интересное предсказание теории великого объединения – нестабильность протона (и в конечном счёте всего вещества). Теория допускает возможность нарушения закона сохранения барионного заряда, в связи с чем протон может распадаться по схеме:

(37.13)

Теория предсказывает, что время жизни протона составляет лет. Зарегистрировать процессы типа (37.13) пока не удалось, однако установлено, что время жизни протона во всяком случае больше, чем 6.5×10³¹ лет.

Для непосредственной проверки теории великого объединения требуются энергии ~10¹⁹ ГэВ, вряд ли когда–нибудь достижимые на ускорителях. Такие энергии были характерными в первые мгновения «сотворения» нашей Вселенной, т.е. Большого Взрыва. Тогда вся материя находилась в чрезвычайно сжатом состоянии и определяющую роль играли процессы, развивающиеся на сверхмалых расстояниях при предельно высоких энергиях. Именно в этой области проявляются основные черты великого объединения, следы которого должны сохраниться до наших дней. Одним из них является, по–видимому, барионная асимметрия Вселенной, т.е. отсутствие антивещества.

Теория великого объединения находится пока в самой начальной стадии развития, однако уже сейчас создаются основы супергравитации – теории, объединяющей все виды взаимодействий, в том числе гравитацию.

[1] В поляризованном пучке спины нейтронов ориентированы параллельно друг другу.

Поиск по сайту: