Сильное взаимодействие. 
Поля и взаимодействия

взаимодействие квантовый дуализм гравитация Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий — сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, — Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Как и в случае слабого взаимодействия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т. е. примерно 10^-13 см. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны неподвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 60-х гг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.

Теория сильного взаимодействия строится аналогично электродинамике и называется квантовой хромодинамикой (КХД). Она стала развиваться после высказанной в 1964 году М. Гелл-Маном и Г. Цвейгом (США) гипотезы о существовании кварков. Эксперименты по глубоконеупругому ер-рассеянию подтвердили эту гипотезу. Они показали, что нуклоны не являются точечными объектами, а состоят из кварков. В настоящее время установлено существование шести разновидностей кварков и, d, s, с, b, t и соответствующих им антикварков. Их названия происходят от английских слов up, down, strange, charm, beauty, truth. Кварки имеют дробный электрический заряд, равный 2/3 заряда электрона (u-, с-, t-кварки) и -1/3 заряда электрона (d-, s-, b-кварки). Антикварки имеют противоположные знаки зарядов. Нуклоны состоят из трех кварков (например, протон — uud, нейтрон — udd), а мезоны — из кварка и антикварка (например, р⁺-мезон — u, р^--мезон — d). Чтобы избежать противоречия с принципом Паули, при обсуждении структуры Щ-(sss)-, Д++(uuu) — и Д-(ddd)-барионов Н. Н. Боголюбовым, Б. В. Струминским и А. Н. Тавхелидзе, а также М. И. Ханом и И. Намбу было введено новое квантовое число «цвет», принимающее три значения, условно названные «красный», «зеленый», «синий», причем сумма этих цветов дает бесцветное состояние, т. е. состояние, в котором квантовое число «цвет» равно нулю. Взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена бозоном, названным глюоном. Это нейтральная безмассовая частица. Главная характеристика ее — цветовой заряд, грубый аналог электрического заряда. Однако вместо двух типов электрических зарядов, названных «плюс» и «минус», в КХД имеется три цветовых (сильных) заряда — «красный», «синий», «зеленый» и три соответствующих антизаряда. Сильный заряд кварков может принимать три значения. Взаимодействие между кварками сводится к обмену цветом, т. е. к обмену глюоном. Можно представить, что глюон составлен из двух цветов — цвета и антицвета (табл. 7).

Таблица 7. Представление глюона ввиде комбинаций цвета и антицвета.

Всего таких комбинаций может быть 9, но одна из диагональных комбинаций нейтральна по цвету. Остается 8 действующих комбинаций, т. е. 8 глюонов. Условное обозначение цветами разных состояний кварков и глюонов и дало название теории взаимодействия кварков и глюонов — «квантовая хромодинамика». Экспериментальным подтверждением КХД явилось обнаружение кварковых и глюонных струй в е⁺е^--аннигиляции (рис. 3).

Рис. 3 Диаграмма Фейнмана, иллюстрирующая образование кварковых и глюонных струй.

В отличие от лептонов, которые наблюдаются в свободном состоянии, кварки и глюоны существуют только в связанном состоянии и не вылетают из адронов. Поэтому для сильных взаимодействий рассматриваются две области: область, для которой радиус взаимодействия r больше размера нуклона r_N и область, для которой радиус взаимодействия r меньше r_N. В первом случае взаимодействие можно рассматривать как обмен пионом (квантом ядерного поля). Тогда константа взаимодействия.

Во втором случае происходит обмен глюоном и константа взаимодействия имеет более сложный характер и выражается через фундаментальную постоянную КХД-теории Л (Л = 100 — 300 МэВ/с) и квадрат переданного импульса q². При этом величина константы взаимодействия существенно меньше единицы для больших значений q²:

Поскольку на малых расстояниях взаимодействие между кварками очень слабое и константа взаимодействия бs r_N) цветные силы возрастают, они как бы удерживают кварки и не дают им вылететь из адрона. Это состояние невылетания называется «конфайнмент» .

Таким образом, сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами виртуальными частицами — мезонами.