что такое сильное взаимодействие

Естествознание. 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 15. Фундаментальные взаимодействия в микромире

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Какое фундаментальное взаимодействие называют сильным, и каковы его свойства.

Какое фундаментальное взаимодействие называют слабым и каковы его свойства

Какую роль играют фундаментальные взаимодействия в существовании жизни

Сильное взаимодействие (ядерное взаимодействие) – самое сильное из фундаментальных взаимодействий, осуществляемое между элементарными частицами, называемыми адронами. В частности, связывает вместе протоны и нейтроны внутри ядра атома.

Слабое взаимодействие – один из четырёх типов известных фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами. Оно гораздо слабее сильного и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного. Наиболее распространённый процесс, обусловленный слабым взаимодействием — β-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности было обнаружено А. А. Беккерелем в 1896 году.

Нуклоны – общее название для протонов и нейтронов, частиц составляющих ядро атома

Протоны (от др. греческого πρῶτος — первый, основной) — стабильная положительно заряженная элементарная частица; величина заряда равна заряду электрона. Вместе с нейтронами образует ядра всех атомов.

Нейтроны (от лат. neuter – ни тот, ни другой) – нейтральная элементарная частая с массой, близкой массе протона. Вместе с протонами нейтроны образуют атомное ядро (за исключением ядра водорода). В свободном состоянии нейтрон нестабилен и распадается на протон и электрон.

Нейтрино – лёгкая (возможно, безмассовая) электрически нейтральная частица. Представление о нейтрино введено в 1930 швейцарским физиком В. Паули. Название предложил в 1932 Э. Ферми, как уменьшительное от нейтрон.

Лептоны – (греч. λεπτός лёгкий) класс фундаментальных частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. К ним относят, например, электрон, позитрон и др.

Адроны (от греч. hadros — тяжёлый; термин предложен советским физиком Л. Б. Окунем) — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными. К ним относятся, в том числе, протоны и нейтроны.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017: с 72 – 74.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В природе известны четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Им соответствуют фундаментальные поля. Гравитационное взаимодействие практически не проявляется при движении объектов микромира. Причина в том, что это взаимодействие намного слабее остальных. Однако в макромире и мегамире гравитационное взаимодействие играет существенную роль. Например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля.

В то же время слабое и сильное взаимодействие является короткодействующим (т. е., будучи значительным при расстояниях порядка размера ядра, быстро убывают при увеличении этого расстояния), и не проявляются на макроскопических расстояниях.

Некоторые реакции в мире микрочастиц не обусловлены ни электромагнитными, ни сильными взаимодействиями. Например, свободный нейтрон за время порядка 1000 с. превращается в протон, электрон и нейтрино (по своим характеристикам похож на электрон, но не имеет заряда), реакция может пойти и в обратном направлении с образование нейтрона. При этом частицы должны провзаимодействовать, но электрон не участвует в сильном взаимодействии, а нейтрино не участвует в электромагнитных. Из этого следует, что существует еще одно фундаментальное взаимодействие. К тому же, длительность этих реакций (по сравнению со скоростью ядерных реакций, обусловленных сильным взаимодействием, происходящих за доли секунды) означает, что такое взаимодействие слабее сильного. Это взаимодействие назвали «слабым».

Заметим, что открытие частицы нейтрино, была предсказана гораздо раньше, чем ее экспериментально обнаружили. Так расчеты показали, что при распаде нейтрона на протон и электрон не выполняется закон сохранения энергии, энергия после реакции оказывалась меньше энергии до реакции. В 1931 году физик Вольфганг Паули предположил, что в процессе распада нейтрона возникает еще одна, не регистрируемая приборами частица, которая и уносит часть энергии. Эту частицу назвали нейтрино.

Заметим, что если в макроскопических масштабах мерой взаимодействия является сила, то в масштабах микромира механическое понятие силы является неприменимым. В общем случае взаимодействие объектов всегда приводит к изменению их энергии и импульса.

Выводы: Из четырёх фундаментальных взаимодействий на уровне микромира наиболее значительными являются сильное и слабое взаимодействия. Их действие ограничивается размерами ядра атома.

Слабое взаимодействие проявляется в процессах β-распада и др. и является короткодействующим. Слабое взаимодействие является универсальным для всех микрочастиц. Несмотря на малую интенсивность, это взаимодействие играет важную роль в природе. Так, если бы удалось его «выключить», то прекратились бы реакции горения в звездах, которые служат источником энергии и появления тяжелых атомов, необходимых для жизни

Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света.

Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий необходимо для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира и, в конечном счёте, определяют существование жизни.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля.

Какие типы фундаментальных взаимодействий проявляют свое действие только в пределах, соотносимых с размером ядра атома?

Правильный ответ: 2,4.

Пояснение: Гравитационное и электромагнитные взаимодействия могут осуществляться на значительных расстояниях.

Задание 2. Соотнесите по парам тип взаимодействия и характеристику взаимодействующих частиц.

Гравитационное взаимодействие – все частицы имеющие массу;

Электромагнитное взаимодействие – заряженные частицы;

Источник

Виды взаимодействий

Взаимодействие является универсальной характеристикой различных систем, структур и наук. Многие природные объекты, материальные и нематериальные явления невозможно объяснить без взаимодействия, иначе взаимного действия, воздействия, влияния, которое оказывают объекты друг на друга. Основной причиной движения материи также является взаимодействие. Как и движение, категория взаимодействия универсальна.

В науке принято выделять четыре не сводящихся друг к другу вида взаимодействий. Это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. В физике причиной изменения движения тел является сила. Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество разнообразных сил: сила тяжести, сила сжатия пружины, сила, возникающая при столкновении тел, сила трения и другие. Однако, когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют через электростатическое поле электронных оболочек, то, как оказалось, все эти силы — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Действительно, представим себе два сталкивающихся бильярдных шара. Всегда слышится звук удара, но что при этом происходит. Всего навсего взаимодействовали электронные оболочки атомов.

Единственное исключение из этого многообразия сил — сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между двумя массивными телами. Чтобы понять, что представляют собой два оставшихся взаимодействия, нужно чуть лучше познакомиться с миром элементарных частиц.

Заглянем внутрь атомного ядра. Ядро состоит из двух видом элементарных частиц – протонов и нейтронов. Протоны – положительно заряженные элементарные частицы, довольно тяжелые (почти в 2000 раз тяжелее электрона). Нейтроны не имеют электрического заряда, еще чуть более тяжелые, чем протоны. Знание точных показателей массы и зарядов протонов и нейтронов дает возможность понять, что ядра атомов не смогли бы существовать только при наличии гравитационного и электрического взаимодействия. Сто лет назад именно такое положение вещей навело ученых на мысль о существовании еще одного типа взаимодействия – сильного.

Как оказалось позднее, и сильного взаимодействия недостаточно для описания всех процессов, происходящих в микромире. Необходимо было существование еще одного слабого взаимодействия. Для того чтобы понять, что представляют собой все эти виды взаимодействий проведем их сравнительную характеристику.

Гравитационное взаимодействие

В гравитационном взаимодействии участвуют все тела, обладающие массой, вне зависимости от их природы. Гравитационные силы являются лишь силами притяжения, так как все тела обладают положительной массой (за исключением темной энергии). Это взаимодействие определяется фундаментальным законом всемирного тяготения. Гравитационные силы убывают пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Закон всемирного тяготения Ньютона описывается формулой:

, где G — гравитационная постоянная.

Гравитационное взаимодействие определяет падание тел под действием силы тяготения Земли, а также движение планет в Солнечной системе, движение галактик во Вселенной и т.д.

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие очень похоже на гравитационное. Отличие лишь в том, что у нас есть как положительные, так и отрицательные заряды, отсюда и возникновение как электрических, так и магнитных полей. Электромагнитное взаимодействие более сильное, чем гравитационное из-за большей константы связи (заряды в один кулон притягиваются сильнее, чем массы в один килограмм).

Данное взаимодействие позволяет электронам и атомным ядрам объединяться в атомы, атомам – в молекулы, а значит такое взаимодействие является основным в химических и биологических процессах. Без электромагнитного взаимодействия не было бы ни молекул, ни тепла, ни света, ни других макрообъектов. Законы Кулона, Ампера и электромагнитная теория Максвелла объясняет и описывает электромагнитное взаимодействие. Оно является основой создания самых разных радиоприемников, компьютеров, телевизоров и других электроприборов.

Электромагнитное взаимодействие в тысячу раз слабее сильно, но зато более дальнодействующее.

Сильное взаимодействие

Иначе этот вид взаимодействия называют ядерным, судя по названию оно самое сильное из всех представленных. Такое взаимодействия происходит на уровне атомных ядер. Ядерные си­лы – это один из видов проявления сильного взаимодействия. Это взаимодействие было открыто в 1911 году Э. Резерфордом практически одновременно с открытием ядра атома. Сильное взаимодействие передается с помощью глюонов, а протон и нейтрон теряют свои заряды и рассматриваются в сильном взаимодействии как нуклоны.

Ядра атомов являются очень устойчивыми системами, которые тяжело разрушить именно благодаря сильному взаимодействию частиц внутри атома. Без такого взаимодействия не смогли бы существовать атомные ядра, Солнце не смогло бы генерировать теплоту и свет без ядерных реакций, которые тоже возможно только благодаря сильному взаимодействию.

Слабое взаимодействие

Из-за наличия данного вида взаимодействия возможно совершение ядерных реакций внутри Солнца, а значит, Солнце светит и дарит нам тепло именно благодаря слабому взаимодействию. Возникновение новых звезд также возможно из-за слабого взаимодействия.

Сила слабого и сильного взаимодействия очень быстро убывает с расстоянием. Так, например, в достаточно большом атомном ядре (например, уран) сила притяжения нуклонов находящихся на диаметрально противоположных концах ядра очень мала. Именно поэтому ядро урана нестабильно и подвержено самопроизвольному распаду. На достаточно малых расстояниях сила сильного взаимодействия превосходит силу электромагнитного. Это делает стабильными такие атомные ядра как литий натрий и т.п.

Существуют такие частицы, которые участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействии – это нейтрино. Из-за такой особенности их очень тяжело обнаружить в эксперименте.

Таким образом, описанными выше четырьмя видами взаимодействиями определяется то, как взаимодействуют все известные объекты: от элементарных частиц до звезд и галактик. Например, сильное и слабое взаимодействия полностью определяют время жизни всех элементарных частиц, а гравитация – движение звезд и планет. Однако, пока еще не все процессы во Вселенной удается объяснить, и потому продолжаются поиски новых типов взаимодействий.

Автор статьи: Михаил Карневский
Обновлено Татьяна Сидорова 29.03.2018
Перепечатка без активной ссылки запрещена!

Вы можете приложить к своему отзыву картинки.

3,75?1028 Люмен) или 3,827?1033 эрг/с. Средняя плотность теплового потока по земному шару составляет 87±2 мВт/м? или (4,42±0,10)•1013 Вт в целом по Земле, то есть примерно в 5000 раз меньше, чем средняя солнечная радиация. Около 60 % теплового потока (2,75•1013 Вт) приходится на внутренние источники тепла, остальные 40 % обусловлены остыванием планеты. Согласно измерениям нейтринного потока из недр Земли, на радиоактивный распад приходится 24 ТВт (2,4•1013 Вт) внутреннего тепла).* Сила тяжести – мощность гравитации ядра Земли и ядра Солнца тоже очень разные.
Гравитационная постоянная Земли GM Земли 398600.448 км 3/с 2
Гравитационная постоянная Солнца GM Солнца 132712.43994 x10 6 км 3/с 2
Разные уровни взаимодействия. У Солнца более высокий, более мощный, чем у Земли. Но Солнце по уровню состояния гравитации и энергии значительно уступает телу ядра галактики. Из центрального очень массивного плотного тела ядра галактики совершаются очень мощные выбросы энергии – выбросы плазмы, облаков газа. Иногда выбросы вытягиваются на расстояние до миллиона световых лет, заканчиваясь в своеобразных округлых, протяженных облаках газа. В таких облаках заключена колоссальная энергия – до 10 в 53 степени (то есть 10 с 53 нулями) Дж. Чтобы оценить количество этой энергии, достаточно сказать, что для её выделения пришлось бы полностью превратить в излучение массу десятков и даже сотен миллионов звезд (а у галактики NGC 6251, расположенной от нас на расстоянии 300 млн. световых лет, выброс тянется на 4 млн. световых лет). В галактике Лебедь А содержатся огромные газовые облака, скорости которых доходят до 500 км/сек. Мощность излучения этой радиогалактики сейчас порядка 1045 эрг/сек или более, и нет оснований предполагать, что оно после взрыва было меньше. Поэтому энергия, освободившаяся в результате взрыва и следовавших за ним процессов, составила, по меньшей мере, 1056-1058 эрг. Очень мощные выбросы из тела очень массивного ядра галактики. Оно и удерживает все выброшенные из себя (изнутри) все звезды, которые вращаются с огромными скоростями. Солнце постоянно движется в пространстве тяготения – силы притяжения ядра галактики. Его скорость равняется 720 тысячам км/ч, но это еще маленькая в сравнение с другими звездами. Недавно астрономы обнаружили звезду под названием S5-HVS1, которая движется со скоростью 6 миллионов км/ч. Эта звезда способна покинуть нашу галактику, но пока не покидает – очень массивное тело ядра галактики удерживает. Но во Вселенной есть тела помощнее, чем ядра галактик – это квазары, тела не галактического уровня. Квазар излучает в 1000 раз сильнее, чем это делает вся галактика с её мощным ядром. Квазар – это очень плотное (самое плотное обозримое) тело, по массе такова, что удерживает целые скопления галактик. Вот такие четыре уровня состояния силы притяжения – гравитации и энергии. Они исходили от самой плотной точки (самого плотного состояния гравитации и энергии – это центральная часть Вселенной). Энергия поэтапно, последовательно выбросом тел растягивала пространство гравитации. Образовалась иерархическая связь тел. Квазары связаны с центром Вселенной, которые в свою очередь связали скопления галактик (те тела, что вышли из квазар). Ядра галактик связаны с квазарами, а сами тела ядер галактик связали звезды, которые выбросили. А Солнце дало движение Земле и другим планетам, и удержала их. А Земля вытолкнула из себя Луну и скрепила в собственную свою систему. Четкая линейная последовательная связь. Взаимосвязь, взаимодействие двух противоположных сил притяжения (гравитации) и отталкивания – энергии.
ФИЗИКА ВСЕЛЕННОЙ.
Физика Всего. Физика жизни Вселенной.
Целостная физическая картина мира. Целостность физики.
Часть 167. Продолжение следует. Виктор Безгодков. 16.12. 2020 г.

Источник

Сильное взаимодействие

Содержание

Пион-нуклонное взаимодействие

Необходимость введения понятия сильных взаимодействий возникла в 1930-х годах, когда стало ясно, что ни явление гравитационного, ни явление электромагнитного взаимодействия не могли ответить на вопрос, что связывает нуклоны в ядрах. В 1935 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена новыми частицами, которые сейчас известны как пи-мезоны (или пионы). Пионы были впоследствии открыты экспериментально в 1947 году.

В этой пион-нуклонной теории притяжение или отталкивание двух нуклонов описывалось как испускание пиона одним нуклоном и последующее его поглощение другим нуклоном (по аналогии с электромагнитным взаимодействием, которое описывается как обмен виртуальным фотоном). Эта теория успешно описала целый круг явлений в нуклон-нуклонных столкновениях и связанных состояниях, а также в столкновениях пионов с нуклонами. Численный коэффициент, определяющий «эффективность» испускания пиона, оказался очень большим (по сравнению с аналогичным коэффициентом для электромагнитного взаимодействия), что и определяет «силу» сильного взаимодействия.

Взаимодействие нуклонов в атомном ядре

На расстояниях порядка м величина сильного взаимодействия между нуклонами, составляющими атомное ядро, настолько велика, что позволяет практически не принимать во внимание их электромагнитное взаимодействие (отталкивание). Вообще говоря, взаимодействие нуклонов в ядре не является «элементарным»; скорее оно является таким же неизбежным следствием наличия сильного взаимодействия между частицами, например, составляющими нуклон кварками, как силы Ван-дер-Ваальса — следствием существования электромагнетизма. В хорошем приближении потенциальная функция взаимодействия двух нуклонов описывается выражением

в котором константа сильного взаимодействия, обычно полагающаяся равной в «системе констант» фундаментальных взаимодействий, где, например, постоянная электромагнитного взаимодействия равна постоянной тонкой структуры (Такая потенциальная функция называется потенциалом Юкавы.) Модуль этой функции очень быстро убывает и на расстояниях, больших уже ничтожно мал.

Вообще радиус ядра можно определить по приближенной формуле

где общее число нуклонов в ядре.

Отсюда можно, в частности, очень приближённо найти массу мезона как переносчика сильного взаимодействия (впервые это было сделано японским физиком Хидэки Юкавой). Для этого, однако, придётся сделать пару предположений, которые при строгом рассмотрении могут показаться безосновательными. Предположим, что мезон испускается одним нуклоном, и, совершив один «оборот» по «краю» потенциальной ямы (первое такое предположение), поглощается другим. Максимальная и, значит, наиболее вероятная длина волны его при этом . Импульс мезона

где постоянная Планка. Если бы мы сейчас (для определения массы покоя мезона ) предположили, что она в точности равна его массе при движении в ядре, это было бы недооценкой. Точно так же, если бы мы предположили, что скорость мезона в ядре примерно равна скорости света, это было бы переоценкой. В грубом приближении будем надеяться, что, если мы положим импульс мезона равным ( скорость света в вакууме), обе «неточности» скомпенсируются. Тогда:

Теперь наиболее физически оправданным будет подставить сюда , ведь речь шла о двух нуклонах. Тогда

кг.

Это значение составляет примерно , где масса электрона. В действительности же масса мезона, являющегося переносчиком ядерного взаимодействия, составляет приблизительно кг — результат более точных вычислений с использованием уже «более совершенных» элементов аппарата квантовой механики (хотя, вероятно, можно было бы «подобрать» экзотический мезон с массой ).

где объём ядра, получающийся из формулы для его радиуса , где м. В результате получаем значение ферми-импульса:

кгмс МэВ/c.

Феноменология сильных взаимодействий адронов

В 1950-е годы было открыто огромное число новых элементарных частиц, большинство из которых обладали очень малым временем жизни. Все эти частицы были сильно взаимодействующими: сечения их рассеяния друг на друге были порядка сечений взаимодействия нуклонов и пионов, и заметно превышали сечения взаимодействия с электронами.

Среди этих адронов были как мезоны, так и барионы. Они обладали различными спинами и зарядами; в их распределении по массам и в предпочитаемых каналах распада проглядывалась некоторая регулярность, однако откуда она бралась — не было известно.

По аналогии с пион-нуклонным рассеянием была построена модель сильных взаимодействий этих адронов, в которой каждому типу взаимодействия, каждому типу распада соответствовала некоторая своя константа взаимодействия. Кроме того, некоторые из наблюдаемых зависимостей не удавалось объяснить, и они просто постулировались в виде «правил игры», которым подчиняются адроны (правило Цвейга, сохранение изоспина и G-чётности, и т. д.). Несмотря на то, что в целом это описание работало, оно, безусловно, было неудовлетворительно с точки зрения теории: слишком многое приходилось постулировать, большое число свободных параметров вводилось совершенно произвольно и безо всякой структуры.

В середине 1960-х годов была обнаружена SU(3) симметрия свойств адронов, и было понято, что принципиальных степеней свободы при «конструировании» адронов вовсе не так много. Эти степени свободы получили название кварков. Эксперименты, проведённые спустя несколько лет, продемонстрировали, что кварки — не просто абстрактные степени свободы адрона, а реальные частицы, составляющие адрон, которые несут его импульс, заряд, спин и т. д. Единственная проблема заключалась в том, как описать тот факт, что кварки не могут вылететь из адронов ни в каких реакциях.

Тем не менее, даже в отсутствие теоретически обоснованной динамической картины взаимодействия кварков, уже тот факт, что адроны — составные частицы, позволил объяснить многие из чисто эмпирических свойств адронов.

Сильные взаимодействия в КХД

В 1970-х годах была построена микроскопическая теория сильного взаимодействия кварков, которая получила название квантовая хромодинамика (КХД). Она строится следующим образом.

Постулируется, что каждый кварк обладает новым внутренним квантовым числом, условно называемым цветом. Более точно, в дополнение к уже имеющимся степеням свободы, кварку приписывается и определённый вектор состояния в комплексном трёхмерном цветовом пространстве. В духе калибровочного подхода, накладывается требование инвариантности наблюдаемых свойств нашего мира относительно унитарных вращений в цветовом пространстве кварков, то есть относительно элементов группы SU(3). (Таким образом, КХД является теорией Янга — Миллса.) Возникающее при этом калибровочное поле и описывает взаимодействие кварков. Это поле удаётся проквантовать; его кванты называются глюонами.

Поскольку каждый тип глюонов задаёт определённый вид вращения в цветовом пространстве, количество независимых глюонных полей равно размерности группы SU(3), то есть восьми. Однако все глюоны взаимодействуют со всеми кварками с одинаковой силой. По аналогии с электродинамикой, где «мощность» взаимодействия характеризуется постоянной тонкой структуры α, «мощность» сильного взаимодействия характеризуется единственной константой сильного взаимодействия .

Подчеркнём, что глюоны взаимодействуют с цветом. Из-за того, что группа SU(3) неабелева, глюоны тоже обладают цветом, а значит, могут взаимодействовать и друг с другом: в теории появляются трёхглюонные и четырёхглюонные вершины. В этом принципиальное отличие свойств КХД от КЭД, где фотон не был заряженным, поэтому сам с собой не взаимодействовал. Заметим, что из кварков и антикварков можно составить комбинации, которые обладают «нулевым» цветом, то есть бесцветные. В длинноволновом пределе такие состояния с глюонами не взаимодействуют.

Следующим важнейшим свойством КХД является антиэкранировка заряда. Групповые свойства SU(3) приводят к тому, что константа связи сильного взаимодействия уменьшается с уменьшением расстояния между кварками и растёт при удалении кварков друг от друга.

Первая из этих зависимостей приводит к асимптотической свободе: кварки, пролетающие на очень малых расстояниях друг от друга, можно в первом приближении считать невзаимодействующими.

Обратная сторона медали: конфайнмент (пленение) кварков. Это значит, что кварки не могут удалиться друг от друга на расстояние, заметно превышающее некоторый радиус конфайнмента (порядка 1 фм). Однако два бесцветных состояния могут удалиться друг от друга на произвольное расстояние, поскольку глюонные поля их не удерживают. В результате получается, что в реальном мире наблюдаются не свободные кварки, а их бесцветные комбинации, которые и отождествляются с адронами.

Будучи удалёнными на расстояние, превышающее радиус конфайнмента, адроны всё же могут взаимодействовать, однако уже не за счёт обмена глюонами, а за счёт обмена другими адронами. В частности, при низких энергиях наиболее сильным оказывается взаимодействие через обмен пи-мезонами (см. выше). Такое взаимодействие (которое, кстати, и удерживает нуклоны в ядрах), тоже по традиции называется сильным. Однако надо понимать, что это «остаточное» сильное взаимодействие, аналогичное ван-дер-ваальсовому взаимодействию нейтральных атомов.

Сильные взаимодействия в высокоэнергетических реакциях

Имеется целый ряд высокоэнергетических процессов столкновения адронов, в которых отсутствует жёсткий масштаб, из-за чего вычисления по теории возмущений в рамках КХД перестают быть надёжными. Среди таких реакций — полные сечения столкновения адронов, упругое рассеяние адронов на небольшие углы, дифракционные процессы. С точки зрения кинематики, в таких реакциях достаточно большой является только полная энергия сталкивающихся частиц в их системе покоя, но не переданный импульс.

Начиная с 1960-х годов, основные свойства таких реакций успешно описываются феноменологическим подходом, основанным на теории Редже. В рамках этой теории, высокоэнергетическое рассеяние адронов происходит за счёт обмена некоторыми составными объектами — реджеонами. Наиболее важным реджеоном в этой теории является померон — единственный реджеон, вклад которого в сечение рассеяния не уменьшается с энергией.

В 1970-х годах оказалось, что многие свойства реджеонов можно вывести и из квантовой хромодинамики. Соответствующий подход в КХД называется подходом Балицкого — Фадина — Кураева — Липатова (БФКЛ).

Текущее состояние в теории сильных взаимодействий

Теоретическое описание сильных взаимодействий — одна из наиболее разработанных и вместе с тем бурно развивающихся областей теоретической физики элементарных частиц. Несмотря на то, что фундаментальная природа сильных взаимодействий понята (цветовое взаимодействие между кварками и глюонами, описываемое квантовой хромодинамикой), математические законы, выражающие её, очень сложны, и потому во многих конкретных случаях вычисления из первых принципов оказываются (пока что) невозможными. В результате возникает эклектическая картина: рядом с математически строгими вычислениями соседствуют полуколичественные подходы, основанными на квантовомеханической интуиции, которые, однако, прекрасно описывают экспериментальные данные.

Наметим общую структуру современной теории сильных взаимодействий. Прежде всего, фундаментом теории сильных взаимодействий является квантовая хромодинамика. В этой теории фундаментальными степенями свободы являются кварки и глюоны, лагранжиан их взаимодействия известен. Подходы к описанию сильного взаимодействия существенно зависят от того, какой именно объект изучается. Можно выделить следующие основные группы:

Ниже кратко охарактеризованы методы теории сильных взаимодействий в каждом случае (часть разделов запланирована).

Жёсткие адронные реакции

Все открытые до сих пор адроны укладываются в стандартную картину, в которой они являются бесцветными составными частицами, построенными из кварков и антикварков. Характерные энергии, связанные с этой внутренней кварковой структурой (то есть характерные энергии связи в потенциальных моделях) порядка ГэВ. Возникает естественная классификация процессов столкновений адронов:

В этом случае речь идет о том, что с хорошей точностью адроны можно считать слабосвязанными, и рассеяние происходит между отдельными составляющими быстро движущихся адронов — партонами. Такое поведение называется асимптотической свободой и связано оно прежде всего с убыванием константы сильного взаимодействия при увеличении передачи импульса (именно за открытие этого явления была присуждена Нобелевская премия по физике за 2004 год).

Партонная картина

Благодаря свойству асимптотической свободы высокоэнергетический адрон можно считать системой слабо взаимодействующих (а в нулевом приближении, вообще не взаимодействующих) объектов, получивших название партоны. Жёсткая реакция столкновения адронов A и B в этом случае рассматривается как жёсткое столкновение двух партонов (i и j, соответственно). Сечение такой реакции можно записать как

Здесь обозначает плотность партонов типа i в адроне A, несущих долю импульса этого адрона. Сущность приближения коллинеарной факторизации заключается в том, что партонные плотности в этом выражении не зависят от того, какую именно реакцию мы рассматриваем, а при вычислении сечения столкновения двух партонов оба партона считаются реальными (а не виртуальными). Такое приближение хорошо работает именно в области жёстких столкновений.

Партонная структура высокоэнергетических адронов сложнее кварковой структуры тех же адронов, но находящихся в покое. При бусте, переводящим покоящийся адрон в быстро движущийся, не только изменяется распределение исходных («валентных») кварков по импульсам, но и генерируются глюоны, а также кварк-антикварковые пары (так называемые «морские кварки»).

Все эти партоны обладают своей долей суммарного импульса адрона, а также дают вклад в общий спин адрона. Уже при энергиях адронов в несколько ГэВ, глюоны переносят уже примерно половину всего импульса протона; с дальнейшим ростом энергии эта доля только возрастает.

Уравнение эволюции партонных плотностей

Динамически связанная система (а точнее, её фоковский вектор состояния) не является инвариантной относительно преобразований Лоренца, поэтому переходя в другую систему отсчёта, мы наблюдаем изменение состава адрона. Можно условно сказать, что глюонный компонент появляются при высоких энергиях из той силы, что удерживала кварки в покоящемся адроне. Из этого становится понятно, что вычислить партонные плотности из первых принципов пока не представляется возможным, поскольку в КХД до сих пор не решена общая проблема связанных состояний. Однако в рамках теории возмущений в КХД можно выписать уравнение эволюции партонных плотностей при увеличении жёсткого параметра (как правило, квадрата переданного импульса). Это уравнение носит название уравнения Докшицера-Грибова-Липатова-Альтарелли-Паризи (уравнение ДГЛАП).

КХД на решётке

Примечания

Литература

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Сильное взаимодействие» в других словарях:

СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — одно из четырёх фундам. вз ствий элем. ч ц. Три остальных вз ствия слабое, электромагнитное и гравитационное гораздо слабее С. в. В отличие от двух последних, С. в. явл. короткодействующим: его радиус =10 13 см (ожидаемый радиус слабого вз ствия… … Физическая энциклопедия

СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — самое сильное из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. В сильном взаимодействии участвуют адроны. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз, его радиус действия ок. 10 13 см. Частный… … Большой Энциклопедический словарь

СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, самая сильная из четырех основных сил природы; связывает вместе протоны и нейтроны внутри ЯДРА атома. И сильное, и СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ реализуются на очень коротких расстояниях (одна миллионная одной миллионной… … Научно-технический энциклопедический словарь

СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий составных элементарных частиц (адронов). Три остальных взаимодействия слабое, электромагнитное и гравитационное гораздо слабее. Сильное взаимодействие, в отличие от двух последних, является… … Большая политехническая энциклопедия

СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, смотри Взаимодействия фундаментальные … Современная энциклопедия

сильное взаимодействие — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN strong interactionSI … Справочник технического переводчика

сильное взаимодействие — самое сильное из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. В сильном взаимодействии участвуют адроны. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз, его радиус действия около 10 13 см. Частный… … Энциклопедический словарь

сильное взаимодействие — stiprioji sąveika statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Viena iš pagrindinių sąveikų, nepriklausanti nuo sąveikaujančiųjų dalelių – hadronų – elektros krūvio. Hadronai – nukleonai bei kiti barionai, mezonai, barioniniai ir… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

сильное взаимодействие — stiprioji sąveika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. strong interaction vok. starke Wechselwirkung, f rus. сильное взаимодействие, n pranc. interaction forte, f … Fizikos terminų žodynas

СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — самое сильное из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. Частицы, участвующие в С. в., наэ. адронами. С. в. превосходит электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз, его радиус действия очень мал (ок. 1 фм, или 10 15 м). Частный … Большой энциклопедический политехнический словарь

Источник