Сильное взаимодействие

Анимация процессов обмена виртуальными глюонами между кварками в составе нуклонов и обмена виртуальными пионами между нейтроном и протоном

Особенности теории сильных взаимодействий — Виктор Брагута // ПостНаука [11:37]

Сильное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие — одна из четырех фундаментальных сил природы, другие три: электромагнитное, гравитационное и слабое взаимодействие.

Сильное ядерное взаимодействие мощное из взаимодействий. Однако, оно проявляется на малых расстояниях (10⁻¹⁵ м, расстояния соизмеримы с размером ядра атома), связывает вместе кварки, а также связывает протоны и нейтроны в ядре атома. Частицами-носителями сильного ядерного взаимодействия по современным представлениям являются глюоны. Их всего 8 типов, каждый из которых имеет нулевую массу (масса покоя) и нулевой заряд. В отличие от обменных частиц других взаимодействий, глюоны могут взаимодействовать друг с другом через другой глюон.

Сильное ядерное взаимодействие была впервые описано японским ученым-физиком Хидеки Юкава в 1935 году с использованием обменных частиц — мезонов. Современное описание сильного взаимодействия дает квантовая хромодинамика. Квантовая хромодинамика входит в так называемую Стандартную модель, которая является суммой современных представлений о строении микромира, хотя и не может претендовать на завершенные знания, поскольку не объясняет результатов некоторых экспериментов и не включает в себя теорию гравитации.

Частицы, состоящие из кварков и которые могут взаимодействовать сильно, называются адронами.

История

После открытия нуклонов — протонов и нейтронов, стало ясно, что они содержатся в атомном ядре силами, отличными от известных к тому времени сил природы — электромагнитных и гравитационных. Протоны, из которых состоят ядра, заряжены одинаково, и, очевидно, существует сила, которая должна противодействовать этому отталкиванию. Однако, исследования ядерных реакций показали, что некоторые процессы происходят быстро, с характерным временем порядка 10⁻²³ с, а другие процессы — сравнительно медленно, с характерным временем порядка 10⁻¹⁰ секунды, и стало ясно, что в мире ядер и элементарных частиц существуют два различных взаимодействия, которые назвали сильным и слабым.

Первую теорию сильного взаимодействия построил Хидеки Юкава в 1935 году. Он допустил существование новых частиц, мезонов, которые являются носителями сильного взаимодействия. В 1947 году такие частицы (а именно пи-мезоны) были открыты в космических лучах. По этой теории радиус действия сильного взаимодействия ограничен расстояниями порядка размеров ядерного ядра, то есть примерно 10⁻¹³ см. Это связано с нестабильностью мезонов, которые распадаются, пролетев такое расстояние.

В шестидесятых годах общее число открытых адронов приблизилось к нескольким десяткам. Хотя все они, без сомнения, были различными частицами, однако можно было заметить некоторые закономерности в их свойствах. Это, вкупе с большим количеством, привело к мысли о неэлементарности адронов. В 1961 году Марри Гелл-Манн предложил классификацию адронов на основе группы симметрий SU(3), а в 1964 году он же вместе с Джорджем Цвейгом развили эту идею, разработав кварковую теорию строения адронов. Эта гипотеза подтвердилась в 1968 году во время стэндфордских экспериментов по рассеянию.

Кварки являются фермионами, а следовательно для них действует принцип Паули. Однако было показано, что существуют частицы, состоящие из трех одинаковых кварков. Чтобы объяснить эту ситуацию, было постулировано существование неизвестного ранее квантового числа, получившего название «цвет», которое присуще только кваркам, и позволяющее им иметь различия.

С развитием квантовой хромодинамики в 1960-х и 1970-х, представление о сильном взаимодействии изменились. По современным представлениям сильное взаимодействие является в первую очередь взаимодействием между кварками, из которых состоят нуклоны. Оно опосредовано другими частицами — глюонами. Кварки и глюоны имеют свойство, которое называют цветным зарядом. Взаимодействие между цветными частицами еще сильнее, чем взаимодействие между нуклонами. Кроме того, оно не уменьшается с увеличением расстояния между частицами. Поэтому цветные частицы прочно связаны вместе в двойки и тройки, так чтобы компенсировать цветной заряд, и создать так называемую «белую» композитную частицу, например, нуклон. Это явление называется конфайнментом. Отдельно кварки и глюоны экспериментально не наблюдаются. Взаимодействие между нуклонами в такой схеме является только остатком от сильного взаимодействия между кварками и глюонами, аналогично тому, как взаимодействие между нейтральными атомами является только остатком от взаимодействия электрически заряженных электронов и ядер

Цветной заряд

Единственной характеристикой, определяющей, принимает частица участие в сильном взаимодействии является особое квантовое число, которое называют цветом, или цветным зарядом (это название не имеет никакого отношения к оптическому цвету). Эта характеристика может принимать 6 значений — цвет может быть красным, зеленым и синим, для кварков (иногда в этом триплете зеленый заменяется желтым), а также антикрасным, антизеленым и антисиним, для антикварков. Цветной заряд получил свое название из-за того, что он ведет себя подобно оптическому цвету в смысле смешивания: смесь красного, зеленого и синего цветов не имеет цвета, так же как и смесь соответствующих антицветов. Это приводит к одной из особенностей цветного заряда — он не наблюдается непосредственно. Все частицы, состоящие из кварков являются «белыми», то есть не имеют цвета — барионы состоят из трех кварков разного цвета, а мезоны из кварк некоторого цвета, и антикварка соответствующего антицвету.

Второй особенностью является то, что глюоны, которые являются носителями сильного взаимодействия, в отличие от, например, электромагнитного взаимодействия, кванты которого (фотоны), электрически нейтральные, имеют цветной заряд.

Цветной заряд, так же как и электрический, сохраняется. По теореме Нётер этому закону сохранения должна соответствовать некоторая симметрия. В данном случае, это симметрия SU(3) относительно поворотов в «цветовом пространстве».

Частицы, участвующие в сильном взаимодействии

Сейчас известны следующие частицы, участвующие в сильном взаимодействии: шесть видов кварков, каждый из которых может иметь один из трех цветов, и глюон, (может иметь восемь вариантов окраски), который является носителем взаимодействия.

Кварки

Существует шесть частиц, называемых кварками:

• Верхний кварк (u-кварк)
• Нижний кварк (d-кварк)
• Странный кварк (s-кварк)
• Волшебный кварк (c-кварк)
• Красивый кварк (b-кварк)
• Истинный кварк (t-кварк)

u-кварк является самым легким из них, а t-кварк — тяжелым. Сорта кварков также называются ароматами. Все кварки являются фермионами со спином 1/2. Цветной заряд всех кварков одинаков по величине.

Одной из особенностей кварков является заряд, не кратный заряду электрона — разные кварки имеют абсолютную величину заряда равную 1/3 и 2/3 от заряда электрона. Однако из-за того, что свободные кварки не могут существовать отдельно, такие заряды не наблюдаются.

Глюоны

Глюоны являются носителями сильного взаимодействия. Как и носители других взаимодействий, глюоны являются бозонами — спин глюонов равен 1. Глюон имеет нулевую массу и нулевой электрический заряд. Поскольку глюон имеет цветной заряд, то он меняет заряд кварка, что его излучил, и кварка, что его поглотил, а также может излучать и поглощать другие глюоны. Существует восемь вариантов окраски глюонов, соответствующих матрицам Гелл-Манна, которые в свою очередь, являются линейно независимыми матрицами с определителем 1:

• $g_{1}=(r{\bar {b}}+b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}$
• $g_{2}=-i(r{\bar {b}}-b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}$
• $g_{3}=(r{\bar {r}}-b{\bar {b}})/{\sqrt {2}}$
• $g_{4}=(r{\bar {g}}+g{\bar {r}})/{\sqrt {2}}$
• $g_{5}=-i(r{\bar {g}}-g{\bar {r}})/{\sqrt {2}}$
• $g_{6}=(b{\bar {g}}+g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}$
• $g_{7}=-i(b{\bar {g}}-g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}$
• $g_{8}=(r{\bar {r}}+b{\bar {b}}-2g{\bar {g}})/{\sqrt {6}}$

Эти глюоны создают восемь различных глюонных полей, которые превращаются друг на друга при поворотах в пространстве цветов.

Как можно видеть, глюоны три и восемь не имеют цвета. Такие глюоны являются собственными античастицами. Благодаря им кварки одного цвета также взаимодействуют между собой.

Математическое описание

Математически теория сильного взаимодействия является калибровочной теорией, построенной на группе симметрии SU(3). Соответствующая калибровочная инвариантность — это инвариантность относительно вращений в пространстве цветов. Группа SU(3) это группа матриц 3x3 с единичным определителем. Инфинитезимальные генераторы этой группы представляются (как вариант) матрицами Гелл-Манна. Этих матриц всего восемь, определяющих число возможных глюонов.

Группа SU(3) является неабелевой, то есть превращение в ней не является коммутативным. Именно с этим связано наличие цвета у глюонов. Также, неабелевость полей КХД означает, что глюонные поля являются полями Янга-Миллса.

Литература

• Индурайн Ф. Квантовая хромодинамика. Введение в теорию кварков и глюонов. Пер. с англ. — М.: Мир, 1986