66. Фундаментальные взаимодействия и классификация элементарных частиц

Определения и обозначения

Фундаментальное взаимодействие — универсальное взаимодействие между частицами, описывающее их влияние друг на друга. Выделяют четыре его вида: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Это понятие помогает объяснять процессы от образования ядер до движения планет.

Элементарная частица — частица, рассматриваемая в современной физике как один из основных компонентов вещества или переносчик взаимодействия. Частицы различаются массой, электрическим зарядом и тем, в каких взаимодействиях участвуют. По этим признакам физики описывают свойства вещества и строят классификацию частиц.

Кварк — элементарная частица, из которой состоят адроны. Известны шесть типов, или ароматов, кварков: u, d, c, s, t и b. Их сочетания позволяют описать состав протонов, нейтронов и других адронов.

Лептон — элементарная частица, не участвующая в сильном взаимодействии. К лептонам относятся электрон и нейтрино, а также другие частицы их семейств. Это определение позволяет отличить лептоны от кварков, которые испытывают сильное взаимодействие.

Как это устроено

Взаимодействия называют фундаментальными, потому что с их помощью описывают основные способы влияния частиц друг на друга. Более сложные процессы можно рассматривать как результат действия одного или нескольких таких видов. Различие между ними проявляется в том, какие объекты они связывают, насколько сильны и на каком расстоянии заметны.

Сильное взаимодействие действует между кварками и удерживает их внутри адронов; оно очень интенсивно, но проявляется на расстояниях порядка размеров атомного ядра. Электромагнитное взаимодействие действует между электрически заряженными частицами и имеет неограниченную дальность; его относительную интенсивность принимают за единицу. Слабое взаимодействие участвует, например, в некоторых радиоактивных распадах, действует на очень малых расстояниях и примерно в 10⁻¹³ раза слабее электромагнитного. Гравитация связана с массой и энергией, действует на больших расстояниях, но между элементарными частицами чрезвычайно слаба — ориентировочно 10⁻³⁸ от электромагнитного взаимодействия.

В квантовом описании взаимодействие связывают с обменом частицами-переносчиками: этот обмен передаёт влияние от одной частицы к другой. Электромагнитное взаимодействие переносит фотон, сильное — глюоны, а слабое — бозоны W и Z. Для гравитационного взаимодействия предполагают переносчик-гравитон, но его существование экспериментально не подтверждено. Поэтому гравитон называют гипотетической частицей.

Элементарные частицы классифицируют, в частности, на кварки и лептоны: первые участвуют в сильном взаимодействии, вторые — нет. Электрон и нейтрино относятся к лептонам, а кварки обнаруживаются в составе адронов. У каждой частицы есть соответствующая античастица с той же массой и противоположными значениями некоторых характеристик, например электрического заряда. Такое соответствие позволяет описывать превращения частиц и процессы с антиматерией.

Кварки объединяются в составные частицы — адроны, потому что в свободном виде они не наблюдаются. Три кварка образуют барион: например, протон имеет состав uud, а нейтрон — udd. Мезон состоит из кварка и антикварка. Различие в составе помогает классифицировать адроны и понимать, почему протоны и нейтроны относятся к одной группе.

Фундаментальные взаимодействия

Сравнивайте строки по источнику, переносчику и дальности: это показывает, чем виды взаимодействий отличаются друг от друга. Относительные числа служат ориентиром для сравнения интенсивности, а не универсальным измерением силы в любой ситуации. Помните, что гравитон пока не обнаружен.

Разбор задач

Задача 1. Определите, к какой группе относятся электрон и электронное нейтрино, и укажите, участвуют ли они в сильном взаимодействии. Нужно применить определение лептона, а не искать частицы в составе адронов. И электрон, и электронное нейтрино принадлежат к лептонам.

1. Вспомним признак группы: лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
2. Сопоставим с ним электрон: это заряженный лептон, поэтому сильного взаимодействия он не испытывает.
3. Электронное нейтрино тоже относится к лептонам и также не участвует в сильном взаимодействии.

Ответ: обе частицы — лептоны; ни электрон, ни электронное нейтрино не участвуют в сильном взаимодействии.

Задача 2. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. К какому виду адронов относится каждая частица? Для ответа достаточно посчитать кварки и сравнить состав с определением бариона и мезона.

1. В протоне три кварка: u, u и d.
2. В нейтроне тоже три кварка: u, d и d.
3. Адрон из трёх кварков является барионом; мезон, напротив, содержит кварк и антикварк.

Ответ: протон и нейтрон — барионы.

Задача 3. При бета-распаде нейтрон превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино. Определите взаимодействие, отвечающее за распад, и классифицируйте частицы. Нейтрон udd превращается в протон uud, то есть один d-кварк меняет тип, а новые лептоны появляются в результате распада.

1. Радиоактивный бета-распад происходит под действием слабого взаимодействия.
2. Нейтрон и протон состоят из кварков и относятся к адронам; оба имеют по три кварка, следовательно, являются барионами.
3. Электрон — лептон. Электронное антинейтрино — античастица нейтрино, также лептонного семейства.

Ответ: за распад отвечает слабое взаимодействие; нейтрон и протон — барионы, электрон и электронное антинейтрино — лептоны.

Типичные ошибки

Гравитон иногда называют обнаруженной частицей, потому что его ставят в один ряд с фотоном и другими переносчиками. Однако существование гравитона пока экспериментально не подтверждено, поэтому его статус — гипотетический. Проверьте себя: если утверждение говорит об экспериментальном обнаружении гравитона, оно неверно.

Кварки путают с адронами, считая эти названия группами частиц одного уровня. На деле кварки входят в состав адронов, а адроны являются составными частицами. Для проверки спросите себя, описывает ли термин отдельный компонент или объединение компонентов.

Можно ошибочно предположить, что сильное взаимодействие действует на все элементарные частицы. Такое обобщение неверно: кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны, включая электрон и нейтрино, — нет. Проверяйте группу частицы, прежде чем делать вывод о её взаимодействиях.

Барионы и мезоны иногда смешивают, потому что и те и другие — адроны. Барион состоит из трёх кварков, а мезон — из кварка и антикварка. Чтобы не ошибиться, посчитайте составляющие частицы и учтите, что антикварк не является обычным кварком.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны понятия электрического заряда, атомного ядра, протона, нейтрона и радиоактивного распада. Они помогают узнать, какие частицы взаимодействуют электромагнитно, из чего состоит ядро и какие превращения происходят при распаде. Эти знания связывают свойства элементарных частиц с уже знакомыми явлениями.

Классификация частиц и взаимодействий понадобится при изучении строения ядра и ядерных реакций. Она помогает объяснять, как удерживаются частицы в ядре и почему одни превращения возможны, а другие нет. Те же понятия используются при дальнейшем знакомстве с физикой элементарных частиц.

Что запомнить

• Выделяют четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
• У каждого взаимодействия есть характерная область действия и переносчики.
• Кварки и лептоны относятся к разным группам элементарных частиц.
• Адроны состоят из кварков.
• Барион состоит из трёх кварков, мезон — из кварка и антикварка.
• У каждой частицы есть соответствующая античастица.