§ 77. Фундаментальные взаимодействия и истинно элементарные частицы

Определения и обозначения

Фундаментальное взаимодействие — базовый вид взаимодействия между частицами, который не сводят к другим известным взаимодействиям. Выделяют гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Это деление нужно, чтобы объяснять разные явления единым набором физических причин, а не отдельным законом для каждого случая.

Истинно элементарная частица — частица, у которой не обнаружена внутренняя структура. К таким частицам относят кварки и лептоны. Это понятие отличает их от составных объектов, которые можно описать как систему более простых частиц.

Кварк — истинно элементарная частица, из которой вместе с другими кварками составлены адроны. Известны шесть ароматов кварков: верхний u, нижний d, странный s, очарованный c, прелестный b и истинный t. Отдельные свободные кварки не наблюдаются, поэтому их изучают по свойствам составленных из них частиц.

Лептон — истинно элементарная частица, не участвующая в сильном взаимодействии. К заряженным лептонам относятся электрон, мюон и тау-лептон; каждому соответствует нейтрино — электронное, мюонное или тау-нейтрино. Это различие помогает понять, какие взаимодействия могут влиять на частицу.

Как это устроено

Мир включает тела, атомы, ядра и частицы, но наблюдаемые процессы можно объяснять небольшим числом типов взаимодействия. Гравитация связывает массы и определяет движение планет и звёзд, а электромагнитное взаимодействие действует между электрически заряженными частицами и лежит в основе света, электричества и химических связей. Сильное взаимодействие связывает кварки внутри адронов и помогает удерживать нуклоны в ядре. Слабое взаимодействие меняет типы частиц и проявляется, например, при некоторых радиоактивных распадах.

Взаимодействия сравнивают не по одному признаку: интенсивность показывает относительную силу, а радиус действия — расстояние, на котором взаимодействие существенно. Сильное взаимодействие наиболее интенсивно, но его действие заметно на очень малых расстояниях; электромагнитное и гравитационное могут действовать на больших расстояниях. В квантовом описании процессы связывают с переносчиками: фотон переносит электромагнитное взаимодействие, глюоны — сильное, W⁺-, W⁻- и Z⁰-бозоны — слабое. Гравитон рассматривается как возможный переносчик гравитации, однако экспериментально он не обнаружен.

Кварки не встречаются изолированно и входят в состав адронов, поэтому адроны считают составными частицами. Их делят на барионы и мезоны по кварковому составу: барион образован тремя кварками, а мезон — кварком и антикварком. Протон и нейтрон — барионы, из которых состоят атомные ядра. Такое деление позволяет связывать наблюдаемые свойства адронов с частицами, из которых они построены.

Кварки и лептоны группируют в три поколения: каждому поколению соответствуют два кварка и два лептона. Первое поколение включает u- и d-кварки, электрон и электронное нейтрино; в следующих поколениях находятся более тяжёлые частицы. Частицы следующих поколений нестабильны и обычно превращаются в более лёгкие. Поэтому обычное вещество состоит преимущественно из частиц первого поколения: именно они образуют протоны, нейтроны и атомы.

Взаимодействие можно представить как обмен частицами-переносчиками между участниками процесса. Например, обмен фотонами описывает электромагнитное взаимодействие, а обмен глюонами связывает кварки внутри адрона. Это не означает, что переносчик обязательно можно увидеть как обычный летящий объект: обменная картина является способом описания процессов микромира. Она помогает связать взаимодействие с изменением движения или состояния частиц.

Фундаментальные взаимодействия

Сначала сравнивайте взаимодействия по одному признаку: большая интенсивность не означает большой радиус действия. Таблица даёт общую картину, но конкретная роль взаимодействия зависит от процесса и участвующих частиц. Частицу-переносчик гравитации следует отличать от экспериментально обнаруженных переносчиков остальных взаимодействий.

Разбор задач

Задача 1. Распределите гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия по возрастанию относительной интенсивности. Нужно сравнить именно силу взаимодействий, а не расстояние, на котором они действуют. Поэтому дальнодействие гравитации не делает её интенсивнее сильного взаимодействия.

1. Вспомним общий порядок интенсивностей: сильное взаимодействие наиболее интенсивно, а гравитационное — наименее.
2. Слабое взаимодействие сильнее гравитационного, но слабее электромагнитного.
3. Ставим электромагнитное между слабым и сильным и записываем порядок от меньшего к большему.

Ответ: гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное.

Задача 2. Определите, к какой группе относятся электрон, нейтрино, протон и мезон, и укажите, какие из этих частиц составные. Классифицировать нужно по участию в сильном взаимодействии, а затем проверить, есть ли у частицы кварковый состав. Так не перепутаются элементарные лептоны и составные адроны.

1. Электрон и нейтрино относятся к лептонам; они истинно элементарны и не участвуют в сильном взаимодействии.
2. Протон и мезон относятся к адронам, поскольку связаны с кварками и участвуют в сильном взаимодействии.
3. Уточняем тип адрона: протон — барион, а мезон составляет отдельную группу адронов. Оба являются составными частицами.

Ответ: электрон и нейтрино — лептоны, протон и мезон — адроны; составными являются протон и мезон.

Задача 3. В реакции с участием протона и нейтрона определите, какие взаимодействия существенны при связывании нуклонов и при последующем распаде нейтрона. Здесь рассматриваются два последовательных процесса, поэтому для каждого нужно выбрать свой физический механизм. Не следует приписывать удержание нуклонов тому взаимодействию, которое вызывает распад.

1. Сначала рассматриваем связь протона и нейтрона в ядре: на малом ядерном расстоянии нуклоны удерживает сильное взаимодействие.
2. Затем рассматриваем бета-распад нейтрона, при котором меняется тип частицы и испускаются другие частицы.
3. Такое превращение относится к слабому взаимодействию, а не к сильному взаимодействию, связывающему нуклоны.

Ответ: нуклоны связывает сильное взаимодействие, а за бета-распад нейтрона отвечает слабое.

Типичные ошибки

Считать протон и нейтрон истинно элементарными. Их часто принимают за неделимые, потому что именно они представлены как части ядер в начальном изучении атома. Однако оба нуклона состоят из кварков и относятся к адронам. Проверка простая: если для частицы указан кварковый состав, она составная.

Путать кварки с лептонами. Ошибка возникает из-за того, что обе группы входят в число истинно элементарных частиц. Но кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет; например, протон составлен из кварков, а электрон является лептоном. Чтобы проверить классификацию, спросите, может ли частица входить в состав адрона.

Считать, что сильное взаимодействие действует на любом расстоянии. Его название может навести на мысль, что оно всегда доминирует. На деле сильное взаимодействие имеет малый радиус действия, тогда как гравитационное и электромагнитное взаимодействия дальнодействующие. Сверяйте отдельно интенсивность и радиус: это разные свойства.

Называть гравитон обнаруженным переносчиком. Частицы-переносчики других взаимодействий включены в физические теории и подтверждены экспериментами, поэтому статус гравитона иногда ошибочно считают таким же. Гравитон пока остаётся гипотетическим: его существование предполагает теория, но обнаружить его не удалось. Проверяйте, говорится ли о подтверждённой частице или о теоретическом предположении.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о строении атома и ядра, электрическом заряде и различии элементарных и составных частиц. Сведения о радиоактивности и ядерных реакциях связываются здесь с физикой элементарных частиц: распад можно объяснить через слабое взаимодействие, а связь нуклонов — через сильное. Далее эти идеи используются при изучении Стандартной модели, устройства ядра и распадов частиц. На больших масштабах представления о гравитации помогают обсуждать космологию.

Что запомнить

• В природе выделяют четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
• Взаимодействия различаются интенсивностью, радиусом действия и переносчиками.
• К истинно элементарным частицам относят кварки и лептоны.
• Адроны состоят из кварков; к адронам относятся барионы и мезоны.
• Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
• Гравитон рассматривается как гипотетический переносчик гравитационного взаимодействия.