Чотири типи фундаментальної взаємодії між речовиною

До сьогоднішнього дня відомо про чотири типи взаємодій: сильне, електромагнітне, слабке і гравітаційне. Їх називають фундаментальними.

Завдяки сильній або ядерній взаємодії здійснюється зв'язок однойменно заряджених протонів і нейтронів у ядрах атомів. Своєю стабільністю речовина зобов'язана дії саме цих сил.

В електромагнітній взаємодії беруть участь тільки заряджені частинки і протони. Електромагнітна взаємодія зумовлює сили притягання між ядрами й електронами. Завдяки цим силам існують атоми і молекули. До електромагнітних сил зводяться сили тертя, пружності, поверхневого натягу. Ними визначаються агрегатні стани речовини, хімічні перетворення, електричні, магнітні й оптичні явища.

Слабка взаємодія характерна для всіх частинок, крім фотонів. Найбільш відомий її прояв – бета-перетворення атомних ядер. Воно ж зумовлює нестабільність багатьох елементарних частинок. Наприклад, розпади мезонів (9.1, 9.2), розпад каона

, (9.6)

Взаємодія	Переносник	Інтенсивність	Радіус дії, м	Характерний час, с
Сильне	глюон	~1	~10-15	~10-23
Електромагнітне	фотон	1/137		~10-20
Слабке	проміжний бозон	~10-10	~10-18	~10-13
Гравітаційне	гравітон	~10-38		?

викликані саме слабкою взаємодією.

Гравітаційна взаємодія властива всім без винятку тілам Всесвіту і виявляється у вигляді сил всесвітнього тяжіння. Ці сили зумовлюють існування зірок, планетних систем тощо.

Для порівняння в таблиці 9.1 наведені характеристики фундаментальних взаємодій

Частинки та античастинки. Анігіляція

У сьогоднішній науці рівень елементарних частинок поділяється на підрівні адронів (протони, нейтрони, піони, каони) і фундаментальних часток. Перші розглядаються як складені, структуровані, а другі – як істинно елементарні частинки (хоча проблема елементарності фундаментальних частинок до кінця не вирішена).

Загальна кількість відомих елементарних частинок ~ 400. До стабільних (або квазістабільних) можна віднести: електрон, позитрон, протон, нейтрон, фотон, електронне, а також мюонне, таонне (анти) нейтрино. Всі інші елементарні частинки нестабільні й утворюються у вторинному космічному випромінюванні або їх одержують у лабораторії. Ледь народившись, нестабільні частинки дуже швидко розпадаються, і зрештою знову утворюються стабільні частинки.

Історія нестабільних частинок почалася з реєстрації у 1937 р. в космічних променях мюона μ^-. Наприкінці 40–х років ХХ ст. були відкриті піони π⁺, π^-, π⁰ - перенощики сильної взаємодії. У п’ятидесятих роках, у космічних променях і на прискорювачах, зареєстровані дивні частинки: каони K⁺, K⁰ , лямбда – гіперони , сигма – гіперони ⁺, ⁰, ^-, ксі – гіперони , , омега – гіперон (передбачений у 1962 р., відкритий у 1964р.). У шістдесятих роках були відкрито більше сотні частинок із середнім часом життя τ~10^-24…10^-23c. Їх назвали резонансами, тому що реєструвалися по характерних піках у графіках залежності перерізів розсіювання від енергії. У 1974 р. були виявлені переважаючі протон по масі в три рази джей–псі–мезони J/ψ, що відкрили шлях групі зачарованих частинок (D⁺, D⁰ , F⁺ , та ін). У 1977 р. відкриті ще більш важкі іпсилон–мезони , які, як вважається, є основоположниками чарівних частинок. У 1983 р. зареєстровані проміжні бозони W⁺, W^-, Z⁰ – переносники слабкої взаємодії.

Властивості елементарних частинок визначаються такими параметрами як маса, середня тривалість життя, спін, електричний заряд і магнітний момент.

Маса m у ядерній фізиці вимірюється в МеВ (або ГеВ), відповідно до співвідношення Ейнштейна. Маса відомих елементарних частинок простягається від 0 до 90 ГеВ. Тому і були у свій час уведені для систематики частинок такі терміни, як лептони („легкі”), мезони („середні”), баріони („важкі”) і гіперони („надважкі”). У наш час вони втратили своє первинне значення.

Середня тривалість існування  служить мірою стабільності частинки.

Спін J – власний момент імпульсу частинки (вимірюється в одиницях ), набуває цілих і напівцілих значень. Частинка зі спіном J має 2J+1 спінових станів, які розрізняються проекцією J_z на виділеній у просторі віссю z напрямок. Значення спіна визначає тип статистики, якій підкоряються дані частинки. Частинки з цілим спіном є бозонами, частинки з напівцілими спінами – ферміонами (для них є вірним принцип Паулі). Величина J для відомих частинок знаходиться в інтервалі від 0 до 9/2.

Електричний заряд частинок вимірюється в одиницях елементарного заряду е = 1,610^-19 кулона.

Магнітний момент  – це максимальне значення проекції вектора власного моменту p_m частинки. Якщо вектори і паралельні, то  – більше нуля; якщо антипаралельні – менше нуля. Магнітні моменти  елементарних частинок вимірюються в одиницях відповідних магнетонів: . Якщо m = m_e, то є магнетоном Бора. , якщо m = m_р, то одержуємо ядерний магнетон .

Кожна частинка має античастинку (позначається тильдою над позначенням частинки). Маси, час існування і спіни частинки й античастинки однакові. Інші параметри, у тому числі електричний заряд і магнітний момент, рівні за модулем, але протилежні за знаком. Прикладами частинок і античастинок є електрон e^- і позитрон e⁺, протон p і антипротон , нейтрон n і антинейтрон , нейтрино і антинейтрино . Перша з цих пар розрізняється, наприклад, знаками електричного заряду, друга – знаками електричного заряду і власного магнітного моменту, третя – знаками магнітного моменту (а так само знаками баріонного заряду b і проекцією ізоспіна T₃ (див. підрозд. 9.5), четверта – знаками спіральності (проекції спіна на напрямок руху) тощо.

Деякі частинки, такі як фотон, π⁰ – мезон,  – мезон, що називаються істинно нейтральними, тотожні своїм античастинкам.

Уперше гіпотеза про античастинку виникла в 1928 р., коли П.Дірак на основі релятивістського хвильового рівняння пророчив існування позитрона, виявленого незабаром (1932 р.) К.Андерсеном у складі космічного випромінювання. Відповідно до теорії Дірака, зіткнення частинки й античастинки повинне приводити до їх взаємної анігіляції. Наприклад

. (9.7)

У процесі анігіляції електронно–позитронна пара перетворюється в два гама кванти, причому енергія пари переходить в енергію фотонів. Це наочний приклад взаємозв'язку різних форм матерії: у цьому процесі матерія у формі речовини перетворюється в матерію у формі електромагнітного поля. Зворотний процес – народження електрон – позитронної пари – так само може бути при зіткненні фотона з енергією із зарядженою частинкою X

. (9.8)

Частинка X (ядро) необхідна для того, щоб задовольнити закони збереження енергії й імпульсу.

Для створення пари необхідна енергія приблизно 4.4 ГеВ, оскільки частинкам необхідно надати досить значну кінетичну енергію.

Антипротон може анігілювати не тільки з протоном

(9.9)

, (9.10)

але і з нейтроном

. (9.11)

Антинейтрони були отримані під час реакції перезарядження антипротонів при їхньому русі через речовину

(9.12)

Існування античастинок наводить на думку про існування антиядер і антиречовини. Перше антиядро – антидейтон (зв’язаний стан і ) – було отримано в 1965 році, ядра антигелію – в 1970 році, антитритію – в 1973 році. Можна собі уявити світ, що створений з античастинок – антисвіт. Атоми в цьому світі складалися б з позитронів, антипротонів і антинейтронів і, так само як звичайні атоми, володіли б властивістю стабільності. Основні рівняння теорії не змінюються при заміні частинок на античастинки. Однак астрофізики не зареєстрували у Всесвіті велике скупчення антиречовини (відсутнє могутнє анігіляційне випромінювання). Природа зарядової асиметрії Всесвіту до кінця не з’ясована, залишаючись проблемою для сучасної фізики.