Сильное взаимодействие

Си́льное взаимоде́йствие (цветово́е взаимоде́йствие, я́дерное взаимоде́йствие) — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий, рассматриваемых в физике. Употребление слова сильное связано с тем, что сильное взаимодействие между нуклонами более чем в 1000 раз мощнее, чем типичное электромагнитное взаимодействие, в 10⁵ раз сильнее слабого взаимодействия, и почти в 10³⁹ раз более мощное по сравнению с гравитацией. Энергии распадов элементарных частиц за счёт сильного взаимодействия всегда превышают энергии распадов за счёт слабого взаимодействия, приводя в последнем случае к большему времени жизни частиц.

В стандартной модели элементарных частиц в сильном взаимодействии участвуют только кварки и глюоны, а также составленные из них элементарные частицы, называемые адронами. При этом сильное взаимодействие действует в масштабах атомов и меньше, обеспечивая целостность адронов и атомных ядер, состоящих из нуклонов. Сильное взаимодействие в атомных ядрах выражается в виде ядерных сил, действующих между нуклонами. Считается, что ядерные силы происходят из-за неполной компенсации сильного взаимодействия между кварками в нуклонах и в других адронах. В квантовой хромодинамике сильное взаимодействие переносится особыми квантами – глюонами, причём глюоны взаимодействуют не только с кварками и антикварками, но и с другими глюонами.

В гравитационной модели сильное взаимодействие рассматривается более широко — оно допускается в том числе и для лептонов, исходя из предположения о действующей на уровне элементарных частиц сильной гравитации и наличия у частиц спиновых и орбитальных полей кручения.

Общие понятия

Нуклоны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые заметно отличаются от обычных гравитационных и электростатических сил. Если электростатические силы действуют и на микроскопических и на макроскопических расстояниях, то ядерные силы достаточно быстро спадают с расстоянием. Характерный радиус их действия порядка 10^-15 метра. Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение: 10^-15 м = 1 Фм (ферми, в честь итальянского физика Энрико Ферми, 1901-1954). Все ядра имеют размеры нескольких ферми.

Если исходить из оценок размеров нуклонов и их массы, то средняя плотность вещества в нуклоне достигает 6,1∙10¹⁷ кг/м³, а средняя плотность вещества в ядрах приблизительно в 10 раз меньше. Отсюда следует, что атомные ядра являются сгустками очень плотной материи, вероятно, самой плотной в земных условиях. Наиболее тесно нуклоны упакованы в ядре атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов. Атом гелия, лишенный своих электронов, называется альфа-частицей (α-частицей). Предполагается, что более тяжелые ядра включают в себя кластеры из альфа-частиц, в которых нуклоны сильнее всего связаны с ядром.

Ядерные силы между нуклонами и между адронами являются примером сильного взаимодействия между отдельными частицами. Эти силы при одинаковом расстоянии многократно превосходят кулоновскую силу. Электростатическое взаимодействие характеризуется энергией порядка нескольких электронвольт, а характерные ядерные энергии в миллион раз больше — мегаэлектронвольты (Мэвы). Когда говорят о ядерных силах, часто не различают протон и нейтрон. Ядерные силы достаточно слабо зависят от того, взаимодействует протон с протоном, нейтрон с нейтроном или протон с нейтроном.

Короткодействие ограничивает действие ядерных сил ближайшим окружением нуклона, в то время как медленно спадающее с расстоянием электростатическое отталкивание протонов действует во всем объеме ядра. С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому большинство тяжелых ядер радиоактивны, а совсем тяжелые вообще не могут существовать. Конечное число химических элементов в природе — следствие короткодействия ядерных сил.

Однако в конце 60-х годов XX века теория ядра предсказала существование стабильных элементов с порядковыми номерами Z = 110 - 114, а возможно, и 126 — так называемого "острова стабильности". Эту теорию косвенно подтверждает эксперимент, недавно проведенный в Дубне. Там был получен 114-й элемент с атомной массой А = 289, который "жил" 30 секунд — невероятно долго для атома с ядром такого размера. Сегодня теоретики уже обсуждают свойства сверхтяжелых ядер массой 300 и даже 500, хотя в самой возможности их существования имеются определенные сомнения.

Пион-нуклонное взаимодействие

Необходимость введения сильных взаимодействий возникла в 1930-х годах, когда стало ясно, что ни гравитационное, ни электромагнитное взаимодействия не могли ответить на вопрос, что связывает нуклоны в ядрах. Наличие заряженных протонов в атомных ядрах и их электрическое отталкивание требовали, чтобы нуклоны притягивались друг к другу особой ядерной силой, независимой от электрического заряда. В 1935 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена новыми частицами, которые сейчас известны как пи-мезоны (или пионы). Пионы были впоследствии открыты экспериментально в 1947 году.

В этой пион-нуклонной теории притяжение или отталкивание двух нуклонов описывалось как испускание пиона одним нуклоном и последующее его поглощение другим нуклоном (по аналогии с электромагнитным взаимодействием, которое в квантовой теории поля описывается как обмен виртуальным фотоном). Эта теория успешно описала целый круг явлений в нуклон-нуклонных столкновениях и связанных состояниях, а также в столкновениях пионов с нуклонами. Численный коэффициент $~ \alpha_s$, определяющий «эффективность» испускания пиона, оказался очень большим (по сравнению с аналогичным коэффициентом для электромагнитного взаимодействия), что и определяет «силу» сильного взаимодействия.

Энергию взаимодействия двух нуклонов и константу связи согласно Юкаве можно выразить следующим образом: $$U_s=-\frac {g^2_{N\pi}}{4\pi r} \exp (- \frac {M_{\pi} cr}{\hbar} ) ,$$ $$\alpha_s=\frac { g^2_{N\pi}}{4\pi \hbar c} \approx 14,6 .$$ где $~ r$ – расстояние между центрами протонов, $~ c$ – скорость света, $~ \hbar$ – постоянная Дирака, $~ g_{N\pi}$ – эффективный заряд сильного взаимодействия, $~ M_{\pi}$ – масса виртуальной частицы (чаще всего пиона), предполагаемой переносчиком сильного взаимодействия.

Феноменология сильных взаимодействий адронов

В 1950-е годы было открыто огромное число новых элементарных частиц, большинство из которых обладали очень малым временем жизни. Все эти частицы были сильно взаимодействующими: сечения их рассеяния друг на друге были порядка сечений взаимодействия нуклонов и пионов, и заметно превышали сечения взаимодействия с электронами.

Среди этих адронов были как мезоны, так и барионы. Они обладали различными спинами и зарядами; в их распределении по массам и в предпочитаемых каналах распада проглядывалась некоторая регулярность, однако откуда она бралась — не было известно.

По аналогии с пион-нуклонным рассеянием была построена модель сильных взаимодействий этих адронов, в которой каждому типу взаимодействия, каждому типу распада соответствовала некоторая своя константа взаимодействия. Кроме того, некоторые из наблюдаемых зависимостей не удавалось объяснить, и они просто постулировались в виде «правил игры», которым подчиняются адроны (правило Цвейга, сохранение изоспина и G-чётности, и т. д.). Несмотря на то, что в целом это описание работало, оно, безусловно, было неудовлетворительно с точки зрения теории: слишком многое приходилось постулировать, большое число свободных параметров вводилось совершенно произвольно и безо всякой структуры.

В середине 1960-х годов была обнаружена SU(3) симметрия свойств адронов, и было понято, что принципиальных степеней свободы при «конструировании» адронов вовсе не так много. Эти степени свободы получили название кварков. Эксперименты, проведённые спустя несколько лет, продемонстрировали, что кварки — не просто абстрактные степени свободы адрона, а реальные составляющие адрона, которые несут его импульс, заряд, спин и т. д. Важнейшая проблема тогда и до настоящего времени заключается в том, как описать тот факт, что кварки принципиально не обнаруживаются за пределами адронов в свободном виде.

Тем не менее, даже в отсутствие теоретически обоснованной динамической картины взаимодействия кварков, уже тот факт, что адроны являются составными частицами, позволил объяснить многие из чисто эмпирических свойств адронов.

Сильные взаимодействия в КХД

В 1970-х годах была построена микроскопическая теория сильного взаимодействия кварков, которая получила название квантовая хромодинамика (КХД). Она строится следующим образом.

Постулируется, что каждый кварк обладает новым внутренним квантовым числом, условно называемым цветом. Более точно, в дополнение к уже имеющимся степеням свободы, кварку приписывается и определённый вектор состояния в комплексном трёхмерном цветовом пространстве. В духе калибровочного подхода, накладывается требование инвариантности наблюдаемых свойств нашего мира относительно унитарных вращений в цветовом пространстве кварков, т. е. относительно элементов группы SU(3). (Таким образом, КХД является неабелевой калибровочной теорией, называемой теорией Янга — Миллса.) Возникающее при этом калибровочное поле и описывает взаимодействие кварков. Это поле удаётся проквантовать; его кванты называются глюонами. Кварки и глюоны, наряду с лептонами и с калибровочными бозонами, считаются фундаментальными частицами стандартной теории.

Поскольку каждый тип глюонов задаёт определённый вид вращения в цветовом пространстве, количество независимых глюонных полей равно размерности группы SU(3), т. е. восьми. Однако все глюоны взаимодействуют со всеми кварками с одинаковой силой. По аналогии с электродинамикой, где «мощность» взаимодействия характеризуется постоянной тонкой структуры α, «мощность» сильного взаимодействия характеризуется единственной константой сильного взаимодействия α_s.

Подчеркнём, что глюоны взаимодействуют с цветом. Из-за того, что группа SU(3) неабелева, глюоны тоже обладают цветом, а значит могут взаимодействовать и друг с другом: в теории появляются трёхглюонные и четырёхглюонные вершины. В этом принципиальное отличие свойств КХД от КЭД, где фотон не был заряженным, а значит сам с собой не взаимодействовал. Заметим, что из кварков и антикварков можно составить комбинации, которые обладают «нулевым» цветом, т. е. бесцветные. Поскольку в сильном взаимодействии участвуют только цветовые заряды кварков и глюонов, то адроны, являющиеся бесцветными комбинациями, в длинноволновом пределе между собой и с глюонами не взаимодействуют.

Следующим важнейшим свойством КХД является антиэкранировка заряда. Групповые свойства SU(3) приводят к тому, что константа связи сильного взаимодействия α_s уменьшается с уменьшением расстояния между кварками, а значит, растёт при удалении кварков друг от друга. Первая из этих зависимостей приводит к асимптотической свободе: кварки, пролетающие на очень малых расстояниях друг от друга, можно в первом приближении считать невзаимодействующими. Обратная сторона медали: конфайнмент (пленение) кварков. Это значит, что кварки не могут удалиться друг от друга на расстояние, заметно превышающее некоторый радиус конфайнмента (порядка 1 фм). Однако два бесцветных состояния могут удалиться друг от друга на произвольное расстояние, поскольку глюонные поля их не удерживают. В результате получается, что в реальном мире наблюдаются не свободные кварки, а их бесцветные комбинации, которые и отождествляются с адронами.

Будучи удалёнными на расстояние, превышающее радиус конфайнмента, адроны всё же могут взаимодействовать, однако уже не за счёт прямого обмена глюонами, а за счёт обмена виртуальными адронами. Согласно квантовой теории поля, глюоны могут порождать виртуальные частицы, в частности, при низких энергиях наиболее сильным оказывается взаимодействие через обмен пи-мезонами (см. выше раздел Пион-нуклонное взаимодействие). Такое взаимодействие, удерживающее нуклоны в ядрах, тоже по традиции называется сильным. Предполагается, что это «остаточное» сильное взаимодействие, подобное по смыслу ван-дер-ваальсовому взаимодействию нейтральных атомов.

Сильные взаимодействия в высокоэнергетических реакциях

Имеется целый ряд высокоэнергетических процессов столкновения адронов, в которых отсутствует жёсткий масштаб, из-за чего вычисления по теории возмущений в рамках КХД перестают быть надёжными. Среди таких реакций — полные сечения столкновения адронов, упругое рассеяние адронов на небольшие углы, дифракционные процессы. С точки зрения кинематики, в таких реакциях достаточно большой является только полная энергия сталкивающихся частиц в их системе покоя, но не переданный импульс.

Начиная с 1960-х годов, основные свойства таких реакций успешно описываются феноменологическим подходом, основанным на теории Редже. В рамках этой теории, высокоэнергетическое рассеяние адронов происходит за счёт обмена некоторыми составными объектами — реджеонами. Наиболее важным реджеоном в этой теории является померон — единственный реджеон, вклад которого в сечение рассеяния не уменьшается с энергией.

В 1970-х годах оказалось, что многие свойства реджеонов можно вывести и из квантовой хромодинамики. Соответствующий подход в КХД называется подходом Балицкого-Фадина-Кураева-Липатова (БФКЛ).

Текущее состояние в теории сильных взаимодействий

КХД — общепринятая теория сильных взаимодействий. Во-первых, в тех областях, где её численные предсказания надёжны, они хорошо согласуются с опытом. Во-вторых, в ней на смену сотням «элементарных» кирпичиков материи (адронов) с запутанными «правилами игры» приходят 6 кварков с единственным дополнительным квантовым числом. Все свойства унитарной симметрии адронов, все правила «адронной химии» автоматически следуют из взаимодействия кварков. В-третьих, КХД построена в согласии с общими требованиями квантовой теории поля, в частности, она перенормируема. Поскольку сильные взаимодействия в КХД описываются на основе калибровочного подхода, есть надежда на то, что удастся объединить сильное взаимодействие с электрослабым.

Альтернативные теории

Несмотря на значительное математическое обоснование квантовой хромодинамики (КХД), существуют альтернативные ей теории, описывающие сильное взаимодействие не с точки зрения взаимодействия кварков и глюонов, а с других позиций. Примером является гравитационная модель сильного взаимодействия.

Гравитационная модель сильного взаимодействия

Одной из причин появления этой модели явились некоторые проблемы, присущие квантовой хромодинамике (КХД) в целом, а также теории кварков и их взаимодействию. С точки зрения теории, КХД строится как калибровочная теория квантового поля, для которого с помощью известного лагранжиана выводятся соответствующие уравнения для взаимодействия кварков и глюонов. Однако в КХД до сих пор не решена общая проблема связанных состояний, отсутствуют точные формулы для сил между кварками, неизвестен механизм генерации дополнительного глюонного конденсата при изменении импульса адронов. Это не позволяет использовать теорию в полной мере, вместо неё применяются различные приближения с дополнительными предположениями: в жёстких адронных реакциях с большой передачей импульса — партонный подход, когда партонами считаются глюоны, валентные и морские кварки, слабо взаимодействующие друг с другом; в полужёстких реакциях вместо партонов феноменологически рассматривается обмен гипотетическими реджеонами как некоторыми квазичастицами, вероятно связанными с кварками; при малых энергиях взаимодействия бесцветных адронов (как в атомном ядре) в теорию для описания взаимодействия вместо глюонов вводят виртуальные частицы типа мезонов, и т.д. В КХД присутствует слишком много — порядка 20 подгоночных параметров, не выводимых из первичных принципов и потому просто постулируемых с целью соответствия теории.

Для самих кварков неопределёнными являются их массы и реальные конфигурации в адронах. В КХД кварки рассматриваются как точечные частицы очень малых размеров, которые тем не менее должны иметь электрические заряды и магнитные моменты, сравнимые по величине с зарядами и магнитными моментами адронов. Все свойства кварков выводятся лишь из симметрий взаимодействия адронов, поскольку свободные кварки как самостоятельные частицы никогда не наблюдались. В модели кварковых квазичастиц показывается, что кварки могут считаться квазичастицами, построенными из заряженного и замагниченного адронного вещества. Комбинации таких квазичастиц объясняют статические свойства адронов и причину отсутствия свободных кварков в природе. Действительно, если кварки есть определённые части вещества адронов, а реакции между адронами сводятся к обмену адронным веществом, то свободные кварки и не должны наблюдаться — вместо них всегда будут видны только вновь образующиеся адроны. Если же в реакциях появляются лептоны, то это означает не превращения или распады кварков, а трансформацию вещества адронов и лептонов в реакциях слабого взаимодействия.

Предположение о кварках как о квазичастицах ставит под сомнение сильное взаимодействие как следствие особого поля в КХД. В гравитационной модели сильное взаимодействие возникает как суперпозиция двух основных фундаментальных полей — электромагнитного и гравитационного. Согласно теории гравитации Лесажа и концепции бесконечной вложенности материи, эти два поля взаимно порождают друг друга на разных уровнях материи. Основными компонентами сильного взаимодействия являются сильная гравитация, поле кручения, а также аналогичные компоненты электромагнитного поля, включая электростатические и магнитные силы между частицами — адронами и лептонами. Благодаря этому в сильном взаимодействии кроме сил центрального типа появляются спин-спиновые и спин-орбитальные силы.

В качестве оценки силы притяжения между нейтроном и протоном используется формула для сильной гравитации: $$~ F=\frac {\beta \Gamma M_n M_p}{R^2} = 3,6\cdot 10^{4}$$Н, где $~ M_n$ и $~ M_p$ – массы нейтрона и протона соответственно, $~ \Gamma$ – постоянная сильной гравитации, $~ R= 2R_p$ – минимальное расстояние между центрами нуклонов, $~ R_p=8,7 \cdot 10^{-16}$м – радиус протона, $~ \beta = 0,26$ – коэффициент, вытекающий из условия поглощения гравитонов в веществе нуклонов согласно теории гравитации Лесажа.

В гравитационной модели находятся связи между массой, радиусом, зарядом и энергией протона, представляется уравнение состояния вещества нуклонов, объясняется сильное взаимодействие между нуклонами в атомных ядрах и между простыми адронами в составных адронах наподобие странных частиц. Это позволяет определить структуру простейших атомных ядер и понять зависимость удельной энергии связи ядер от массового числа.

Дополнительная литература

• J.R. Christman (2001). "MISN-0-280: The Strong Interaction" (PDF). Project PHYSNET. Archived from the original (PDF) on 2005-10-16. 
• D.J. Griffiths Introduction to Elementary Particles. — М.: John Wiley & Sons, 1987. — ISBN 0-471-60386-4^{о книге}
• F. Halzen, A.D. Martin Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. — М.: John Wiley & Sons, 1984. — ISBN 0-471-88741-2^{о книге}
• G.L. Kane Modern Elementary Particle Physics. — М.: Perseus Books, 1987. — ISBN 0-201-11749-5^{о книге}
• R. Morris The Last Sorcerers: The Path from Alchemy to the Periodic Table. — М.: Joseph Henry Press, 2003. — ISBN 0-309-50593-3^{о книге}

Внешние ссылки

• The Alice Experiment at CERN is the heavy ion collaboration that will investigate aspects of the Strong Nuclear Force upon the completion of the building of the Large Hadron Collider at CERN.
• The Star Experiment at the Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven Nation Laboratory in New York, USA. Данный эксперимент исследует сильное взаимодействие, включая возможную фазу кварк-глюонной плазмы.

См. также

• Энергия связи
• Цвет (квантовая хромодинамика)
• Константа взаимодействия
• Ядерная физика
• Квантовая теория поля и Калибровочная инвариантность
• Стандартная модель физики элементарных частиц
• Слабое взаимодействие, Электромагнитное взаимодействие и Гравитация
• Модель кварковых квазичастиц
• Субстанциональная модель нейтрона
• Субстанциональная модель протона
• Субстанциональная модель фотона
• Субстанциональная модель электрона
• Бесконечная вложенность материи
• Подобие уровней материи
• SPФ-симметрия
• Сильная гравитация
• Теория гравитации Лесажа
• Гравитационная модель сильного взаимодействия