Начальные сведения об элементарных частицах

1. Классификация элементарных частиц

1.1 Взаимодействия

Известны четыре фундаментальных взаимодействия, в которых могут участвовать частицы:

 гравитационное (универсальное взаимодействие, но самое слабое, в котором участвуют все частицы без исключения; оно является дальнодействующим, т.е. медленно спадающим с расстоянием);

 электромагнитное (участвуют частицы, обладающие электрическим зарядом или магнитным моментом, и фотоны; является дальнодействующим);

 слабое (участвуют все частицы, кроме фотонов; быстро спадает с расстоянием, по последним данным является одной из сторон электромагнитного взаимодействия);

 адронное (участвуют только адроны; быстро спадает с расстоянием).

Все многообразие природных процессов сводится к этим четырем взаимодействиям. Каждое из взаимодействий характеризуется быстротой спада с ростом расстояния.

Потенциальная энергия гравитационного и электрического взаимодействия спадает с расстоянием по степенному закону  1/r. Такой закон называют дальнодействующим.

Приближенная формула потенциальной энергии двух адронновзаимодействующих нуклонов имеет вид: (1) При каждом увеличении расстояния на r_h числитель уменьшается в e раз. Этот факт и определяет большую скорость спадания U(r) с расстоянием. Множитель Q² называют константой взаимодействия. Он играет ту же роль, что и для электрического взаимодействия. Параметр r_h называют радиусом адронного взаимодействия. Формулу (1) впервые получил Юкава в 1935 году. Он получил следующее выражение для радиуса адронного взаимодействия: , (2) где m_  инвариантная масса пиона.

Приближенная формула потенциальной энергии двух слабо взаимодействующих частиц имеет вид: (3) Множитель G²  константа слабого взаимодействия. Радиус слабого взаимодействия r_w на три порядка меньше радиуса адронного взаимодействия. Он равен (4) где m_w  инвариантная масса промежуточного W-бозона. Она примерно в 90 раз больше массы протона.

Задача 1. Получите численные значения радиусов адронного и слабого взаимодействий.

Обменный механизм взаимодействия частиц, из которого следуют описывающие его формулы (1) и (3), является универсальными. Этот механизм применим не только к адронному и слабому взаимодействиям, но и к электромагнитному. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон. Поскольку инвариантная масса фотона равна нулю, постольку в соответствии с формулами (2) и (4) радиус электромагнитного взаимодействия оказывается равным бесконечности. А формула (1) превращается в (5) где Q²  константа электромагнитного взаимодействия. Она равна

Константы взаимодействия имеют размерность [Джм]. Их значения зависят от выбора системы единиц. Чтобы иметь дело с величинами, не зависящими от выбора системы единиц, пользуются безразмерными константами взаимодействия: , и . (6) Они примерно равны 1, 10^-2, 10^-1. Эти числа определяют отношение энергий взаимодействий.

Задача 2. Получите численное значение безразмерной константы электромагнитного взаимодействия: .