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)

DW×Dt ~ h

(37.10)

Якщо стан системи існує протягом деякого проміжку часу Dt, то енергія стану не має фіксованого значення й визначена лише з точністю DW~ h/Dt.

С допомогою співвідношення (37.10) процеси (37.7) і (37.8) можна трактувати так: частинка a випускає частку x, яка швидко (за час Dt) поглинається іншою часткою c. При цьому частинка x при своєму народженні «позичає» енергію DW 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 Dt ~ h/DW ~ 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 p- 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= 0і 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 g 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. 37.1 в. 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.

Велике об'єднання

Магістральний шлях розвитку фізики полягає в об'єднанні різних типів взаємодій. Перший крок у цьому напрямку був зроблений Д. Максвеллом (1860–1865 р.), який все розмаїття електричних і магнітних явищ об'єднав у рамках єдиної електромагнітної взаємодії. Над єдиною теорією гравітаційної та електромагнітної взаємодій працював А. Ейнштейн. Побудові єдиної теорії матерії присвятив два десятиліття й інший видатний фізик ХХ століття – В. Гейзенберг. Однак обидві спроби з різних причин виявилися безуспішними. Наприкінці 70-их років минулого століття С. Вайнберг, Ш. Л. Глешоу та А. Салам створили єдину теорію електрослабких (тобто електромагнітних і слабких) взаємодій. Переносниками електрослабкої взаємодії є безмасовий фотон g і три масивних бозона W⁺, W^– і Z⁰. Незважаючи на те, що m_g = 0, а маси бозонів відмінні від нуля, їх різницею можна знехтувати в разі великих енергій частинок, що зіштовхуються, тобто при їх зближенні на дуже малі відстані (R< 10^{-18 м)} . Однак зі збільшенням відстані між частинками (R> 10^{-18 м)} роль бозонів як переносників взаємодії слабшає через малий радіус дії слабкої взаємодії (див. §37.8), тому головний внесок у взаємодію між частинками вносить фотон. Таким чином, на відстанях R>10^{-18 м} електрослабка взаємодія проявляє себе як електромагнітна.

Теорія Вайнберга– Глэшоу –Салама одержала блискуче експериментальне обґрунтування в 1982–1983 р., коли були відкриті W⁺, W^– і Z⁰ – бозони, маси яких добре узгоджуються з передбаченням теорії.

Успіхи теорії електрослабкої взаємодії стимулювали дослідження в напрямку подальшої уніфікації теорії елементарних частинок. Зараз створюється єдина теорія слабкої, електромагнітної й сильної взаємодій, відома як теорія великого об'єднання. Основний висновок цієї теорії полягає в тому, що на відстані інтенсивності слабкої, електромагнітної й сильної взаємодій зрівнюються, і всяке розходження між ними зникає. Найцікавіше передбачення теорії великого об'єднання – нестабільність протона (і зрештою всієї речовини). Теорія допускає можливість порушення закону збереження баріонного заряду, у зв'язку із чим протон може розпадатися за схемою:

(37.13)

Теорія передбачає, що час життя протона становить років. Зареєструвати процеси типу (37.13) поки не вдалося, однак установлено, що час життя протона у всякому разі більший, ніж 6.5×10³¹років.

Для безпосередньої перевірки теорії великого об'єднання потрібні енергії ~ 10¹⁹ ГеВ, навряд чи коли-небудь досяжні на прискорювачах. Такі енергії були характерними в перші миті «створення» нашого Всесвіту, тобто Великого Вибуху. Тоді вся матерія перебувала в надзвичайно стисненому стані і визначальну роль відігравали процеси, що розвивалися на надмалих відстанях при гранично високих енергіях. Саме в цій області проявляються основні риси великого об'єднання, сліди якого повинні зберегтися до наших днів. Одним з них є, очевидно, баріонна асиметрія Всесвіту, тобто відсутність антиречовини.

Теорія великого об'єднання перебуває поки в самій початковій стадії розвитку, однак уже зараз створюються основи супергравітації – теорії, що поєднує всі види взаємодій, у тому числі гравітацію.

ВИСНОВОК

Розглянуті в цьому навчальному посібнику основні положення курсу фізики охоплюють найважливіші розділи як класичної, так і сучасної фізики.

При написанні посібника автори намагалися врахувати той найважливіший факт, що в цей час курс фізики – це одна з основних частин підготовки фахівців у конкретній інженерній діяльності.

Деякі області сучасної інженерної діяльності, такі, наприклад, як електронна техніка, нові принципи обробки й відображення інформації настільки тісно пов'язані з рішенням фізичних проблем, що стають невіддільними один від одного.

Широкий розвиток наукових і інженерних розробок, що перебувають на стиках декількох наук і опираються на конкретні досягнення сучасної фізики, істотно підвищило інженерний рівень, на якому вирішуються в наші дні численні технічні завдання.

У посібнику викладені в основному результати закінчених досліджень, усталених уявлень про фізичну картину явищ. Однак це не повинно створювати враження про те, що фізика – закінчена, завершена наука. У дійсності у фізичній картині світу зберігаються й зараз безліч надзвичайно складних задач, розв’язування яких – справа майбутніх дослідників.

Від фізики сьогодення і майбутнього ми чекаємо в першу чергу повного й несуперечливого описання неорганічної матерії. Однак уже в цей час результати сучасної фізики виходять за межі цієї галузі і мають принципове значення для розвитку біологічних наук і навіть психології.

 

[1] Адіабатною називається така оболонка, через яку не протікає теплообмін з навколишнім середовищем.

[2] В поляризованому пучку спіни нейтронів орієнтовані паралельно один до одного.