Сильна взаємодія

Відео: SciShow - Сильна взаємодія (частина 2)

Сильна взаємодія, сильна ядерна взаємодія - одна з чотирьох фундаментальних сил природи, інші три: електромагнітна сила, гравітаційна і слабку взаємодію.
Сильна ядерна взаємодія була вперше описана японським вченим-фізиком Хідекі Юкава в 1935 з використанням обмінних частинок - мезонів. Це є потужна з взаємодій. Однак, вона проявляється на малих відстанях (10 -15 м, відстані порівнянні з розміром ядра атома), пов`язує разом кварки для освіти адронів, а також пов`язує протони і нейтрони в ядрі атома. Часткою-носієм сильної ядерної взаємодії згідно з сучасними уявленнями є глюон, їх всього 8 типів, кожен з яких має нульову масу (маса спокою) і нульовий заряд. На відміну від обмінних частинок інших взаємодій, глюони можуть взаємодіяти один з одним через інший глюон.
Після відкриття нуклонів - протонів і нейтронів, стало зрозумілим, що вони містяться в атомному ядрі силами, відмінними від відомих до того часу сил природи - електромагнітних і гравітаційних. Протони, з яких складаються ядра, заряджені однаково, і, очевидно, існує сила, яка повинна протидіяти цьому відштовхування. Однак, дослідження ядерних реации показали, що деякі процеси відбуваються швидко, з характерним часом близько 10 -23 с, а решта процесів - порівняно повільно, з характерним часом близько 10 -10 секунди, тому стало ясно, що існують дві різні ядерні взаємодії, які назвали сильною і слабкою.
Першу теорію сильної взаємодії побудував Хідекі Юкава в 1935. За цією теорією радіус дії сильної взаємодії обмежений відстанями порядку розмірів атомного ядра, тобто приблизно 10 -13 см. Однак, з розвитком квантової хромодинаміки в 1960-х і 1970-х, уявлення про сильне взаємодія змінилися. За сучасними уявленнями сильна взаємодія є в першу чергу взаємодією між кварками, з яких складаються нуклони. Вона опосередкована іншими частинками - глюонами. Кварки і глюони мають властивість, яке називають кольоровим зарядом. Взаємодія між кольорово зарядженими частинками ще сильніше, ніж взаємодія між нуклонами. Крім того, він не зменшується зі збільшенням відстані між частинками. Тому кольорові частинки міцно пов`язані один з одним в двійки і трійки, так щоб компенсувати кольоровий заряд, і утворити так звану «білу» композитну частку, наприклад, нуклон. Це явище називається конфайнментом Окремо кварки і глюони експериментально не спостерігаються. Взаємодія між нуклонами в такій схемі є лише залишком від сильного взаємодії між кварками і нуклонами, аналогічно тому, як взаємодія між нейтральними атомами є тільки залишком від взаеомодіі електрично заряджених електронів і ядер.

Детальніше в статті Квантова хромодинамика




Основною характеристикою елементарної частинки, що надає їй здатність до сильного взаємодії, в рамках квантової хромодинаміки є кольоровий заряд. Всього існує три типи кольорових зарядів, які умовно називають червоним, зеленим і синім, і три типи кольорових антізарядів: антічервоній, антизелена і антісіній. Всі ці назви конвенційні. Вони жодним чином не відповідають реальним кольорам, які люди бачать в повсякденному житті. Кольорові заряди мають два типи елементарних частинок: кварки і глюони. Кожен кварк може бути червоним, зеленим або синім, антікварк, відповідно, антічервонім, антизелена і антісінім. Глюони повинні одночасно колір і антіколір, зазвичай різні, наприклад червоно-антизелена глюон. Це властивість дозволяє їм бути посередниками при взаємодії. Наприклад, червоний кварк при взаємодії може віпромініти червоно-антизелена віртуальний глюон. При цьому він сам стає зеленим. Інший кварк, зелений, поглинає цей червоно-антизелена глюон і стає червоним. Таким чином, через обмін віртуальними глюонами, здійснюється сильна взаємодія.
Сильна взаємодія, гіпотетично, не спадає з ростом відстані між частинками до нуля. Ця її властивість називається конфайнментом. Завдяки конфайнменту, кольорові частинки сильно притягуються один до одного. Кольорові заряди нейтралізуються двома способами: об`єднанням трьох різних кольорів і об`єднанням кольору і антікольору.
Три кварка з червоним, зеленим і синім зарядом утворюють «безбарвні» або «білу» частку, баріонів, наприклад, протон. При цьому, внаслідок швидкого обміну глюонами, неможливо сказати, який з кварків має якийсь кольоровий заряд. Безбарвна частка взаємодіє з іншими безбарвним частинками набагато слабкіше, ніж кварки взаємодіють між собою. Безбарвним є також комбінації кварка і антікварка, які мають колір і антіколір. Саме таким чином утворюються мезони.
Поряд з конфайнметном характерною особливістю сильної взаємодії є асимптотична свобода - на малих відстанях і при високих енергіях взаємодія між кварками слабка, що дозволяє трактувати їх як вільні частки.
математичний опис
Математично теорія сильної взаємодії є калібрувальної теорією, побудованої на групі симетрії SU (3). Відповідна калібрувальна інваріантність - це інваріантність щодо обертань в просторі кольорів. Група SU (3) це група матриць 3 3 з одиничним визначником. Інфінітоземальні генератори цієї групи представляються (як варіант) матрицями Гелл-Манна. Цих матриць всього вісім, що визначає число можливих глюонів.


Після побудови квантової хромодинаміки залишкову сильна взаємодія між нуклонами в ядрі стали називати ядерним взаємодією. Ця взаємодія між безбарвним частинками - результат обміну мезонами кварків, що входять в різних нуклонів. Імовірність таких обмінів набагато менше, ніж ймовірність обміну глюонами кварків в складі одного нуклона. Вона швидко спадає з відстанню.
Ядерне взаємодія можна приблизно описати потенціалом Юкави:

,

де U - потенціал взаємодії, g - константа, що описує інтенсивність взаємодії, k - величина зворотна радіусу ядерного взаємодії. Цей потенціал аналогічний екранованому кулоновском потенціалу.
Ядерне взаємодія відповідає за залучення нуклонів в складі ядра. Вона протидіє кулоновском відштовхування зарядів протонів. Оскільки ядерна взаємодія зростає зі збільшенням зарядового числа ядра повільніше, ніж кулоновская, ядер з великим зарядом потрібно більше нейтронів для забезпечення стабільності. Однак, нейтрон нестабільна частинка щодо слабкої взаємодії, тому ядра атомів з великим атомним номером нестабільні, щодо радіоактивного розпаду або ділення.
Пошуки теорії великого об`єднання сильного, слабкого і електромагнітного взаємодії ведуться з використанням груп симетрії SU (5) і складних математичних об`єктів. Таке об`єднання повинно наступати при енергіях принаймні 14 жовтня ГеВ, що на багато порядків перевищує сучасні експериментальні можливості людства.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!