Світ елементарних частинок у поняттях симетрії

 

p +  p →  p + p +  π0,( IV.2)

p +  p →  p +  p +  p +  ,( IV.3)

       π-+ р→ Λ° + К°.      ( IV.4)

 

Отже, складність елементарної частинки зводиться до її взаємодії з іншими частинками. Те розуміння, що одна частинка входить до складу іншої (складнішої), має зміст лише у тому разі, коли її енергія зв'язку значно менша, ніж енергія  спокою. Зміст терміна взаємодії частинок також  слід уточнити. Позаяк зворотним до процесу народження частинки є процес її розпаду, то й реакція розпаду теж являє собою взаємодію. Так, процес β - розпаду, який характеризується перетворенням ( IV.1), є процесом взаємодії з легкими частинками.

Сучасна фізика встановила той важливий факт, що всі взаємодії частинок можна звести до чотирьох типів. Це:

1.Сильна взаємодія. Вона зумовлює зв'язок між нуклонами в атомних ядрах, нею пояснюють виключну міцність ядер, що відповідає за стабільність речовини у земних умовах (майже 99,98% маси звичайної речовини складаються з нуклонів). Реакції ( IV.2)-( IV.4) - прояви саме сильної взаємодії. Зокрема, реакція ( IV.2) - приклад народження π-мезонів, народження антипротонів - реакція ( IV.3), а реакція ( IV.4) супроводжується появою гіперонів. Радіус дії сильної взаємодії 10-15м - вона короткодіюча. Викликає процеси, що відбуваються найшвидше в порівнянні з іншими й забезпечує найсильніший зв'язок елементарних частинок.

2.Електромагнітна взаємодія.Її добре вивчено вже у класичній фізиці. Зводиться вона до взаємодії електричних зарядів і магнітних моментів частинок з електромагнітним полем, передусім відповідає за процес народження (або поглинання) фотонів. Перебіг електромагнітних явищ і процесів тут значно повільніший (у 137 разів) від тих, що викликані сильною взаємодією. Електромагнітні взаємодії забезпечують зв'язок електронів у атомах, іонів у кристалах, атомів у молекулах. Разом з гравітацією вони відіграють основну роль у макроскопічному світі. Це тому, що радіус їх дії практично нескінченний.

Взаємодія нуклонів у ядрі ─ окремий випадок сильної взаємодії. Різниця між протоном і нейтроном у відношенні заряду проявляється лише в електромагнітних, а не в ядерних (сильних) взаємодіях частинок. Короткодіючий характер внутріядерних сил пояснюють обміном нуклонів піонами. Тут проявляється зарядова незалежність ядерних сил. Якби в ядрі були лише мезони, а електромагнітні взаємодії відсутні, - то зарядова незалежність ядерних сил призвела б до однакових значень мас нуклонів і однакових значень мас усіх піонів. Відтак різниця в масах протона й нейтрона (mn > тp ) має електромагнітне походження.

3. Слабка взаємодія. Особливим проявом цього типу взаємодії є процес β-розпаду, також розпади мезонів і гіперонів. Розпад нейтрона по каналу  (IV.1) не може бути викликаний ядерними силами, бо електрон не реагує на сильні взаємодії і тому не може народжуватися за їх рахунок. Народження електронів можливе тільки під дією електромагнітних сил, але ці сили не впливають на антинейтрино, що не бере участі в електромагнітних взаємодіях. Така ж ситуація виникає при розпаді  π- і  µ-мезонів з випусканням нейтрино чи антинейтрино. Це наводило на думку, що в природі існують якісь інші взаємодії, які відповідають за розпад нейтрона та інших частинок. Ними стали саме слабкі взаємодії, які супроводять розпад частинок. Вони у 1014 разів слабкіші, ніж ядерні. Процеси, викликані слабкою взаємодією, докраю повільні. Так, характерний для них час складає 10-9с, замість 10-23,для сильної. Слабка взаємодія між частинками суттєва на дуже малих відстанях між ними, що не перевищують 10-19м.

Слабкі взаємодії обумовлені обміном W±- і Z0  - бозонами, які були відкриті в 1983 р. в Європейському центрі ядерних досліджень. Їхня низька інтенсивність і дуже малий радіус дії пояснюється тим, що, на відміну від фотонів, зазначені бозони мають велику масу, вони дуже важкі. Але тільки слабка взаємодія може змінювати аромат кварків і лептонів, порушувати максимально можливим чином дискретні симетрії (див. нижче). Іноді вона могутніша за сильну й електромагнітну взаємодії. Не слід також забувати, що якби слабкі взаємодії раптом відключилися, то погасло б Сонце та інші зорі: водень не перетворювався б на гелій, коли звільняється колосальна енергія.

Особливість  цього типу  взаємодій  є те,  що тільки   в  них  бере  участь нейтрино, яке виключно слабко взаємодіє з речовиною при малих енергіях.

4. Гравітаційні  взаємодії.  Їх теорію опрацював А.Ейнштейн у загальній теорії відносності (1916). Вони не відіграють помітної ролі в світі елементарних частинок, хіба що на відстанях 10-35 м.

Інтенсивність взаємодій наближено оцінюють швидкістю розпаду (або народження) частинок. Так, сильна взаємодія характеризується елементарним ядерним часом tел = 10-23с. Якщо, скажімо, час життя частинки має порядок tел, то ця частинка розпадається внаслідок сильної взаємодії. Явища, зумовлені іншими взаємодіями, відбуваються значно повільніше (див. табл. 1).

Важливим критерієм інтенсивності взаємодії частинки є її маса. Маса - це не просто невідомого походження міра інертності тіла. Вона переважно визначається тими