7.4 Фундаментальные взаимодействия

При выполнении тестовых заданий студент должен знать: типы фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое; частицы, участвующие во взаимодействиях различных типов; переносчики фундаментальных взаимодействий.

Примеры выполнения тестовых заданий

Задание 1. Установить соответствие групп элементарных частиц характерным типам фундаментальных взаимодействий:

1. фотоны                                       A. сильное 2. лептоны                                      Б. электромагнитное   3. адроны                                        В. слабое

1)	1-Б, 2-В, 3-А	2)	1-В, 2-А, 3-Б
3)	1-А, 2-В, 3-Б

Выполнение задания. Адроны (мезоны, барионы) это частицы, участвующие в сильном взаимодействии (3-А).

Фотоны участвуют в электромагнитном и гравитационном взаимодействии и не принимают участия в сильном и слабом взаимодействии. Они являются переносчиками электромагнитного взаимодействия (1-Б).

Общее число лептонов невелико – их всего 6. Три заряженных лептона (электрон е^-, мюон μ^-, таон τ^-) участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействиях. Каждому из них соответствует нейтральная частица (электронное нейтрино ν_е, мюонное нейтрино ν_μ и таонное нейтрино ν_τ), участвующая только в слабом взаимодействии (2-В). Следовательно, правильный ответ: 1-Б, 2-В, 3-А.

Ответ: 1) 1-Б, 2-В, 3-А

Задание 2. В микромире наименьшую интенсивность из фундаментальных взаимодействий имеет … взаимодействие.

1)	сильное	2)	слабое
3)	гравитационное	4)	электромагнитное

Выполнение задания. Интенсивность взаимодействия характеризуется некоторой безразмерной величиной, построенной из фундаментальных постоянных (с и ) и соответствующего «заряда».

Взаимодействие	Сильное	Электромагнитное	Слабое	Гравитационное
Интенсивность	~ 1	~ 10-2	~ 10-10	~ 10-38

Из представленной таблицы видно, что сильное взаимодействие – самое интенсивное, слабое – наименее интенсивное, откуда и их названия. Гравитационное взаимодействие обладает предельно малой интенсивностью, в больших масштабах его ведущая роль обусловлена тем, что массы («гравитационные» заряды) колоссальны.

Следовательно, наименьшей интенсивностью обладает гравитационное взаимодействие.

Ответ: 3) гравитационное

Задание 3. Установить соответствие типа фундаментального взаимодействия и частиц, являющихся переносчиками этих взаимодействий:

1. сильное А. промежуточные бозоны W⁺, W^-, Z⁰

2. электромагнитное Б. глюоны

3. слабое В. гравитоны

4. гравитационное Д. фотоны

Е. кварки

1)	1-Е, 2-Д, 3-А, 4-В	2)	1-Е, 2-А, 3-Д, 4-В
3)	1-Б, 2-Е, 3-Д, 4-В	4)	1-Е, 2-Д, 3-А, 4-В
5)	1-Б, 2-Д, 3-А, 4-В

Выполнение задания. Все фундаментальные взаимодействия имеют обменный характер, который заключается в том, что в качестве элементарных актов каждого взаимодействия выступают процессы испускания и поглощения данной частицей а некоторой частицы Х. Сама частица а может остаться неизменной, а может превратиться в другую частицу b:

.

Расположенная поблизости частица с способна поглощать и испускать частицу Х:

.

Таким образом, частица Х, являющаяся переносчиком взаимодействия, сыграв роль как бы «катализатора», исчезнет, а между частицами а, b и c, d возникнет взаимодействие, которое приведет к превращению

.

Переносчиками фундаментальных видов взаимодействий являются:

1) электромагнитное – нейтральные (q = 0) безмассовые (m = 0) фотоны γ (2-Д);

2) сильное – восемь электрически нейтральных (q = 0) и безмассовых (m = 0) глюонов g_i (1-Б);

3) слабое – промежуточные векторные бозоны W⁺, W^-, Z⁰, которые имеют электрический заряд (q = ±1) и обладают большими массами (3-А);

4) гравитационное – нейтральные (q = 0) безмассовые (m = 0) гравитоны G, не обнаруженные в свободном состоянии, но реальность их вытекает из общих теоретических представлений (4-В).

Следовательно, правильный ответ: 1-Б, 2-Д, 3-А, 4-В.

Ответ: 5) 1-Б, 2-Д, 3-А, 4-В