Надо Знать

добавить знаний



Сильное взаимодействие



План:


Введение

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

Сильное взаимодействие, сильная ядерное взаимодействие - одна из четырех фундаментальных сил природы, другие три: электромагнитная, гравитационная и слабое взаимодействие.

Сильная ядерное взаимодействие мощная из взаимодействий. Однако, она проявляется на малых расстояниях (10 -15 м, расстояния соизмеримые с размером ядра атома), связывает вместе кварки, объединяя их в адроны, а также связывает протоны и нейтроны в ядре атома. Частицами-носителями сильной ядерного взаимодействия по современным представлениям является 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.

Сильная ядерное взаимодействие была впервые описана японским ученым-физиком Хидеки Юкава в 1935 с использованием обменных частиц - мезонов. Современный 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 завершенное знание, поскольку не объясняет результатов некоторых экспериментов и не включает в себя теорию гравитации.


1. История

После открытия нуклонов - протонов и нейтронов, стало ясно, что они содержатся в атомном ядре силами, отличными от известных к тому времени и сил природы - электромагнитных и гравитационных. Протоны, из которых состоят ядра, заряженные одинаково, и, очевидно, существует сила, которая должна противодействовать этому отталкиванию. Однако, исследования ядерных реаций 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, поэтому стало ясно, что в мире ядер и элементарных частиц существуют две различные взаимодействия, которые назвали сильной и слабой.

Первую теорию сильного взаимодействия построил Хидеки Юкава в 1935. По этой теории радиус действия сильного взаимодействия ограничен расстояние порядка размеров ядерного ядра, то есть примерно 10 -13 см. Однако, с развитием квантовой хромодинамики в 1960-тых и 1970-х, представление о сильное взаимодействие изменились. По современным представлениям сильное взаимодействие является в первую очередь взаимодействием между кварками, из которых состоят нуклоны. Она опосредована другими частицами - глюонами. Кварки и глюоны имеют свойство, которую называют цветным зарядом. Взаимодействие между цвето заряженными частицами еще сильнее, чем взаимодействие между нуклонами. Кроме того, она не уменьшается с увеличением расстояния между частицами. Поэтому цветные частички крепко 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 есть только остатком от сильного взаимодействия между кварками и глюонами, аналогично тому, как взаимодействие между нейтральными атомами есть только остатком от взаеомодии электрически заряженных электронов и ядер.


2. Квантовая хромодинамика

Основная статья Квантовая хромодинамика

Основной характеристикой элементарной частицы, что придает ей способность к сильного взаимодействия, в рамках квантовой хромодинамики является цветной заряд. Всего существует три типа цветных зарядов, которые условно называют красным, зеленым и синим, и три типа цветных антизарядив: античервоний, антизеленая и антисиний. Все эти названия конвенционные. Они никоим образом не соответствуют реальным цветам, которые люди видят в повседневной жизни. Цветные заряды имеют два типа элементарных частиц: кварки и глюоны. Каждый кварк может быть красным, зеленым или синим, антикварк, соответственно, античервоним, антизеленая и антисиним. Глюоны имеют одновременно цвет и антиколир, обычно разные, например красно-антизеленая глюон. Это свойство позволяет им быть посредниками при взаимодействии. Например, красный кварк при взаимодействии может випроминиты красно-антизеленая виртуальный глюон. При этом он сам становится зеленым. Другой кварк, зеленый, поглощает этот красно-антизеленая глюон и становится красным. Таким образом, через обмен виртуальными глюонами, осуществляется сильное взаимодействие.

Сильное взаимодействие, гипотетически, не спадает до нуля с ростом расстояния между частицами. Это ее свойство называется конфайнментом. Благодаря конфайнмента, цветные частички сильно притягиваются друг к другу. Цветные заряды нейтрализуются двумя способами: объединением трех разных цветов и объединением цвета и антикольору.

  • Барион, что складеться с 3 кварков (красного, зеленого, синего), перед сменой цветов

  • В процессе взаимодействия кварк, на рисунке красный, излучает глюон, на рисунке красно-антизеленая, становясь при этом зеленым.

  • Зеленый кварк поглощает красный-антизеленая глюон и становится красным.

Три кварки с красным, зеленым и синим зарядом образуют "бесцветную" или "белую" частицу, Барион, например, протон. При этом, вследствие непрестанного обмена глюонами, невозможно сказать, какой из кварков имеет какой цветной заряд. Бесцветная частица взаимодействует с другими бесцветными частицами гораздо слабее, чем кварки взаимодействуют между собой. Бесцветными также комбинации кварка и антикварка, которые имеют цвет и антиколир. Именно таким образом образуются мезоны.

Наряду с конфайнметном характерной особенностью сильного взаимодействия является асимптотическая свобода - на малых расстояниях и при высоких энергиях взаимодействие между кварками слабая, что позволяет трактовать их как свободные частицы.


2.1. Кварк-глюонная плазма

Гипотетически, кроме барионов и мезонов, существует еще одно состояние кварков и глюонов, в котором они не связаны между собой в бесцветные частицы - так называемая кварк-глюонная плазма. Это состояние возможно при большой плотности, когда цветной заряд экранируется аналогично экранированию заряда в электрон-ионной плазме.

2.2. 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. Инфинитоземальни генераторы этой группы представляются (как вариант) матрицами Гелл-Манна. Этих матриц всего восемь, определяющий число возможных глюонов.


3. Ядерное взаимодействие

После построения квантовой хромодинамики остаточную сильное взаимодействие между нуклонами в ядре стали называть ядерным взаимодействием. Это взаимодействие между бесцветными частицами - результат обмена мезонами кварков, входящих в разных нуклонов. Вероятность таких обменов намного меньше, чем вероятность обмена глюонами кварков в составе одного нуклона. Она быстро приходит с расстоянием.

Ядерное взаимодействие можно примерно описать потенциалом Юкавы :

U = - g ^ 2 \ frac {e ^ {-kr}} {r} ,

где U - потенциал взаимодействия, g - константа, описывающая интенсивность взаимодействия, k - величина обратная радиусу ядерного взаимодействия. Этот потенциал аналогичный экранированном кулоновском потенциала.

Ядерное взаимодействие отвечает за привлечение нуклонов в составе ядра. Она противодействует кулоновской отталкиванию зарядов протонов. Поскольку ядерное взаимодействие возрастает с увеличением зарядового числа ядра медленнее, чем кулоновское, ядрам с большим зарядом нужно больше нейтронов для обеспечения стабильности. Однако, нейтрон нестабильная частица по слабого взаимодействия, поэтому ядра атомов с большим атомным номером нестабильные по радиоактивного распада или разделения.


4. Перспективы объединения

Поиски теории великого объединения сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия ведутся с использованием групп симметрии SU (5) и сложных математических объектов. Такое объединение должно наступать при энергиях менее 10 14 г эВ, что на много порядков превышает современные экспериментальные возможности человечества.

См.. также

Источники



Фундаментальные взаимодействия
Гравитация | Электромагнитное взаимодействие | Слабое взаимодействие | Сильное взаимодействие

Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам