37.8. Переносники фундаментальних взаємодій

Всі види фундаментальних взаємодій носять обмінний характер – будь-які дві частинки взаємодіють одна з одною шляхом обміну третьою проміжною частинкою, яка називається переносником взаємодії. Обмінний характер ядерних сил був описаний раніше (див. §36.3). У загальному випадку взаємодія між частинками a і c схематично можна представити у вигляді:

a→ x + b x + c→ d

(37.4) (37.5)

Частинка a випускає деяку частку x і перетворюється в частку b – процес (37.4). Далі частинка x поглинається часткою c, у результаті чого народжується частинка d – процес (37.5). У підсумку частинка x, зігравши свою роль переносника взаємодії зникає, а частинки a і c перетворюються в частинки b і d:

a + c b+ d

(37.6)

Якщо a= b і c = d, то реакції (37.4) – (37.6) описують реакції пружного розсіювання

a  x + a x + c c a + c a + c

(37.7) (37.8) (37.9)

Щодо процесів (37.7) і (37.8) необхідно зробити наступне зауваження. У рамках класичної фізики протікання цих процесів заборонено законом збереження енергії, оскільки W_a< W_x+W_a, а W_x+W_c >W_c. Однак необхідно мати на увазі, що всіма процесами в мікросвіті управляють закони квантової механіки. Відповідно до співвідношення невизначеностей (див. §30.2)

Wt  h

(37.10)

Якщо стан системи існує протягом деякого проміжку часу t, то енергія стану не має фіксованого значення й визначена лише з точністю W h/t.

С допомогою співвідношення (37.10) процеси (37.7) і (37.8) можна трактувати так: частинка a випускає частку x, яка швидко (за час t) поглинається іншою часткою c. При цьому частинка x при своєму народженні «позичає» енергію W у частинки a і повертає її частці c, у результаті чого ніякого порушення закону збереження енергії в підсумкових реакціях (37.6) і (37.9) немає. Переносник взаємодії – частинка x може існувати протягом часу t  h/W  h/m_xc², після вона повинна поглинутися часткою c. Відстань, що може пройти частинка x за час свого існування, визначає радіус дії відповідного вигляду взаємодії:

(37.11)

Співвідношення (37.11) можна використати для оцінки маси переносника взаємодії

(37.12)

Саме таким чином була оцінена маса переносника ядерної взаємодії -мезона (Х. Юкава, 1935 р.).

Розглянемо коротко характеристики переносників взаємодії.

1. Переносником гравітаційної взаємодії служать гравітони: G-частинки з масою спокою m=0, електричним зарядом Q=0 і спіном J=2. Оскільки маса гравітона дорівнює нулю, то радіус гравітаційної взаємодії (див. 37.11). Через надзвичайно малу інтенсивність гравітаційної взаємодії гравітони поки не виявлені й навряд чи будуть виявлені найближчим часом.

2. У слабкій взаємодії переносниками є бозони W⁺, W^– і Z⁰, які мають електричний заряд Q= +e, –e, 0 відповідно й великі маси Ці бозони були виявлені експериментально в 1983 р.

Оскільки маси бозонів відмінні від нуля, то слабка взаємодія виявляється короткодіючою ().

3. Переносником електромагнітної взаємодії є електрично нейтральний безмасовий фотон  зі спіном J=1. Оскільки маса фотона дорівнює нулю, то радіус дії електромагнітних сил .

4. Сильна взаємодія здійснюється шляхом обміну кварків частинками, які одержали назву глюонів (від англ. glue – клей). Є вісім електрично нейтральних (Q=0), безмасових (m=0) глюонів g_i зі спіном J=1. Кожний глюон має один із кольорів (R,G або B) або антикольорів. При випущенні або поглинанні глюонів змінюється кольори кварків, але не аромат (тип кварка). Кольори в сильній взаємодії грають таку ж роль, як і електричний заряд в електромагнітному взаємодії. Оскільки глюони самі мають кольори, то вони самі можуть взаємодіяти один з одним. Зокрема, можливі процеси розщеплення глюона на кілька інших глюонів або об'єднання їх в одну частинку. Складний характер кварк-глюонної взаємодії приводить до того, що незважаючи на те, що маса глюона дорівнює нулю, радіус дії сильної взаємодії виявляється скінченним.

Характер взаємодії між кварками вивчається в одному з розділів теорії елементарних частинок – квантовій хромодинаміці. Основне положення цієї теорії полягає в тому, що в природі у вільному стані можуть існувати лише білі частинки. У зв'язку з цим кварки (а також глюони), будучи кольоровими частинками, не можуть існувати у вільному стані, а можуть перебувати лише усередині білих частинок – адронів. Це положення теорії називається конфайментом (від англ. confinement – полон) кольорів і обґрунтовується тим, що енергія взаємодії між кварками росте необмежено в міру збільшення відстані між ними. Тому для виривання кварка з адрону необхідно затратити нескінченно велику енергію. Як показують оцінки, якщо при r=10^–15 м енергія взаємодії кварків дорівнює 1 ГеВ, то при r=10^–14 м вона дорівнює вже 10 ГеВ, а для того, щоб розвести кварки на відстань 1 см, потрібна енергія 10²² еВ(!). У той же час на дуже малих відстанях кварки практично «не відчувають» один одного, що одержало назву асимптотичної свободи.

Рис.37.1

Рис.37.2

Неможливість спостереження кварків у вільному стані пояснюється в моделі струн, відповідно до якої глюонне поле між двома кварками, рознесених на досить велику відстань, стискується в результаті самодії в тонку трубку (струну). При подальшому рознесенні кварків енергія глюонного поля, що накопичується в струні, стає достатньою для народження кварк - антикваркової пари. У результаті струна розривається, на її вільних кінцях виникає один кварк і один антикварк, так що замість утворення вільних кварків відбувається народження мезонів (рис. 37.1).

Можна сказати, що кварки в адроні поводяться подібно полюсам магніту. При його розрізуванні не утворюються північний і південний полюси, а виходять два нових магніти.

Модель ця підтверджена експериментально (Г. Хансон і ін., 1976 р.). При зіткненні електрона e^– і позитрона e⁺ , що виникають в прискорювачі на зустрічних пучках, народжувалися кварк – антикваркові пари . За рахунок збільшення відстані між і виникали процеси, які зображені на рис. 37.1в. Таким чином, на досліді повинні спостерігатися два адронні струмені, що розлітаються в протилежні сторони (рис. 37.2): один – в напрямку первинного кварка, другий – у напрямку первинного антикварка. Подібна двострунна структура й була виявлена експериментально.