Лекция 49

8.3. Физика элементарных частиц

Фундаментальные физические взаимодействия. Иерархия структурных уровней организации материи. Элементарные частицы как глубинный уровень структурной организации материи. Характеристики элементарных частиц: масса покоя, электрический заряд, время жизни, спин (фермионы и бозоны), изотопический спин, четность, странность, лептонный и барионный заряды.

8.3.1. Фундаментальные физические взаимодействия

В настоящее время известны четыре типа фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное.

Сильное взаимодействие. Выделяется как взаимодействие, которое ответственно за процессы с элементарными частицами, протекающие с наибольшей интенсивностью по сравнению с другими процессами. Оно приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Этот вид взаимодействия обусловливает связь протонов и нейтронов в ядре и обеспечивает исключительную прочность этих образований, являющуюся основой стабильности вещества в земных условиях. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать безразмерной константой взаимодействия. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1 ÷ 10. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия ), составляет примерно 10^-15 м. Время, характерное для сильного взаимодействия, порядка 10^-23 с. Сильное взаимодействие обеспечивает существование ядер. Различными проявлениями сильного взаимодействия являются термоядерный синтез, благодаря которому светятся звезды, и деление ядер в ядерных реакторах.

Электромагнитное взаимодействие. В основе электромагнитного взаимодействия лежит связь с электромагнитным полем, источником которого являются электрические заряды. Процессы, обусловленные им, менее интенсивны, чем процессы сильного взаимодействия, а порождаемая им связь элементарных частиц заметно слабее. Электромагнитное взаимодействие ответственно за излучение фотонов, связывает ядра и электроны в атомы, атомы – в молекулы. Окружающий нас мир является по существу проявлением электромагнитного взаимодействия. Константа электромагнитного взаимодействия равна 1/137. Радиус действия не ограничен ( ). Характерное время 10^-21 с.

Слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие слабо влияет на поведение элементарных частиц или вызывает очень медленно протекающие процессы изменения их состояния. Это взаимодействие ответственно за все виды - распада ядер (включая – захват), за распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Константа взаимодействия равна 10^-14. Слабое взаимодействие является короткодействующим, радиус действия 10^-17 м. Характерное время взаимодействия 10^-10 с.

Гравитационное взаимодействие. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. Самое слабое из всех фундаментальных взаимодействий: константа взаимодействия равна 10^-39. Радиус действия не ограничен. Характерное время взаимодействия 10¹⁶ с. Макроскопически гравитационное взаимодействие проявляется в небесной механике, оно определяет эволюцию Вселенной, галактик, звезд и планетарных систем.

Основные характеристики фундаментальных взаимодействий приведены в таблице.

Тип взаимодействия	Константа взаимодействия	Радиус действия, м	Время взаимо- действия, с	Переносчики взаимодействия
Сильное	1 - 10	10-15	10-23	глюоны
Электромагнитное	1/137		10-21	фотоны
Слабое	10-14	10-17	10-10	промежуточные бозоны
Гравитационное	10-39		1016	гравитоны