22.2. Взаємодії у природі.

а). Основні види взаємодій у природі. Усі відомі у природі сили визначаються певною взаємодією між елементарними частинками. На цей час відомо чотири види взаємодій (див.Таблицю 6).

1. Сильна взаємодія (S) із радіусом ~ 10^-15 м проявляється у створенні зв’язків між кварками у адронах. Переносниками взаємодії є вісім віртуальних, нейтральних і безмасових глюонів. Механізм їх взаємодії полягає у надшвидкому обмінові глюонами, через їх миттєве випромінювання й поглинання взаємодіючими частинками. Такий процес ще називається обміном віртуальними частинками.

2. Електромагнітна взаємодія (E) із нескінченим радіусом дії. Переносником взаємодії є віртуальні гамма-фотони (), якими миттєво обмінюються взаємодіючі заряджені частинки.

3. Слабка короткодіюча взаємодія, відповідає за багато розпадів частинок, а також характеризує усі процеси взаємодії нейтрино з речовиною. Переносниками взаємодії є віртуальні проміжні векторні бозони W⁺, W^- , Z⁰.

4. Гравітаційна взаємодія має нескінченний радіус дії, яка притаманна взаємодії усіх елементарних частинок.

Таблиця 6. Характеристики взаємодій

Вид взаємодії	Інтенсивність 	Радіус дії R м	Характерний час , c	Закони збе реження	Учасники взаємодії	Переносники	Змінюються
							колір	аромат
Сильна-S	~1	~10-15	~10-23	Усі	q(H)	gі і=1,...,8	+	-
Електромагнітна-Е	~10-2		~10-20	Усі, крім Т	q(H) l, W		-	-
Слабка-W	~10-10	~10-18	~10-13	p,E,J, L,q,B	q(H),l	W, Z0	-	+
Гравітаційна	~10-38		?	?	Усі	G	?	?

Основні характеристики взаємодій наведені в Таблиці 6. У ній уведені позначення: р - імпульс, Е-енергія, J- момент імпульсу, q-електричний заряд, Т - ізотопічний спін, B-баріонний заряд, L-лептонний заряд, g_і - вісім нейтральних та безмасових глюонів, за допомогою яких взаємодіють кварки, - фотон, q- кварки, H-адрони , Z⁰, W^- векторні бозони, l^ - лептони, G - гравітон. Окремі названі тут частинки та поняття розглядаються нижче, а з іншими можна познайомитися в додатковій літературі.

Під інтенсивністю взаємодії  розуміють відносну інтенсивність, яка визначається відношенням енергій цих взаємодій для двох однакових частинок, які знаходяться на достатньо малій відстані. Таке визначення не досить точне, але воно має хорошу наочність. Наприклад, два протони можуть одночасно мати як сильну так і електромагнітну й гравітаційну взаємодії. При цьому можна порівняти відповідні енергії взаємодій і встановити відносну інтенсивність .

Характерний час взаємодії  є найменший час життя частинок, які розпадаються під впливом відповідних взаємодій. Так для сильної взаємодії характерним є час життя короткоживучих елементарних частинок, які називаються резонансами. Для електромагнітної взаємодії вибрано час життя гіперона, а для слабкої взаємодії час життя важкоголептона.

На сьогоднішній день перед фізиками стоїть питання: чи не є перелічені види фундаментальних взаємодій проявом якоїсь однієї сили? Пошуками такої суперсили займаються дослідники як у Мікросвіті так і у Мегасвіті і ми ще нагадаємо про це нижче.

б).Єдина теорія взаємодій. Розглянуті нами чотири види взаємодій у природі дають підставу для запитання: чи єдина природа у цих взаємодіях? Відповідаючи на таке питання, слід згадати намагання Ейнштейна об’єднати теорію гравітаційних та електромагнітних взаємодій. Останні досягнення теорії елементарних частинок та методів їх прискорення, дозволили безпосередньо ставити питання про єдину природу взаємодій. На сьогодні вчені Вайнберг, Глешоу та Салам створили єдину теорію слабких та електромагнітних взаємодій - Малого об’єднання. Ці вчені також заклали основи для побудови єдиної теорії слабкої, сильної та електромагнітної взаємодій - так званого Великого об’єднання.

В основі Малого об’єднання лежить існування єдиних переносників слабкої та електромагнітної взаємодій, існування яких стало сьогодні вірогідним. До них відноситься група проміжних векторних бозонів: W⁺,W^- , Z⁰ та фотони. Частинки W⁺, W^-, Z⁰ мають досить малий час життя до 10^-25 с, щоб зафіксувати їх сучасними установками. Проте надійно фіксуються їх продукти розпаду, що передбачаються теорією:

W⁺  + _е , W^-  + _е, Z⁰  + ,

W⁺  ⁺ + _ , W^-  ^- + _, Z⁰  ⁺ + ^-.

Наприклад, відомі бета-розпади, які, як і багато інших, відбуваються за рахунок слабкої взаємодії й схема їх розпаду в ранніх теоріях мала вигляд

n+_e.

З точки зору Малого об’єднання такий розпад повинен відбуватися у два етапи:

np + W^-, W^-  +_e,

що й спостерігалося у дослідах на прискорювачах елементарних частинок.

Велике об'єднання передбачає об'єднання всіх сил природи (крім гравітації) - слабких, сильних та електромагнітних - у загальну універсальну взаємодію між кварками та лептонами. Носіями взаємодії при цьому можуть виступати фотони, глюони, Х- та Y-бозони, векторні бозони W⁺, W^-, Z⁰.

В основі обґрунтування Великого об’єднання знаходиться проблема досягнення енергій взаємодіючих частинок ~ 10²⁴ еВ. На сьогодні це надзвичайно велика енергія і навіть відсутні гіпотези, яким шляхом її можна досягти. Проте є посередні шляхи підтвердження великого об’єднання. Згідно теорії великого об’єднання передбачається, що надзвичайно стабільний, із часом життя до 10³⁰ років протон може розпадатися. З метою експериментального підтвердження розпаду протона, в США на великій глибині в шахті встановлено пузиркову водневу камеру. Проте досі не виявлено нестабільності протона і досліди продовжуються.