Предыдущие части:
Лептоны (часть 1)
Барионы (часть 2)
Здравствуйте, дорогой читатель! Поздравляю вас с 23-м февраля! Уже в третий раз мы говорим об элементарных частицах, из которых состоит наш мир. В этой статье мы поговорим о частицах, которые несут в себе своего рода силы: электромагнетизм, слабые взаимодействия и сильные взаимодействия.
Существует ещё четвёртая сила — гравитация, однако она не описывается в Стандартной модели, которая представлена выше. Связано это с тем, что на данный момент учёные до сих пор не связали гравитацию с остальными теориями, поэтому мы лишь кратко повторим, что она из себя представляет.
Гравитация
Читатель может знать эту силу ещё со школы: притяжение тел друг к другу. Кто-то может вспомнить картинку ниже, где демонстрируется искривление пространства под массой — гравитацией тела.
Однако сегодня мы не будем так подробно говорить о гравитации и её концепциях. Всё, что нам нужно знать сейчас — что это одна из фундаментальных сил, которая играет важную роль только в больших коллективах частиц.
Остальные силы могут быть представлены, если рассматриваются два или даже одна отдельная частица.
Фотоны и электромагнетизм
Электромагнетизм в физическом мире проявляет себя как сила, ответственная за взаимодействие атомов и молекул между собой. Он влияет не только на заряженные частицы, но и на нейтроны, т.к. последние обладают магнитным моментом — величиной, которая характеризует магнитные свойства.
Фотон — это знакомая многим электромагнитная частица без массы, переносчик света. После ряда экспериментов, таких как проблема абсолютно чёрного тела, объяснение фотоэлектрического эффекта и эксперимента с двумя щелями, было установлено, что свет передаётся не непрерывно, а некими "пакетами", называемыми квантами энергии.
Через эксперимент, при котором на электроны направляли монохроматическую плоскую волну света, было установлено, что каждый электрон при движении отталкивается так, словно он столкнулся с частицей. Таким образом этот процесс можно представить так, как показано ниже:
Из рисунка следует, что фотон γ с определённым импульсом путём испускания или поглощения меняет направление движения у обоих электронов. В данной ситуации фотон называют "виртуальным", т.к. он не может существовать отдельно, а должен в конечном итоге поглотиться какой-либо частицей.
Подобные процессы отталкивания частиц можно сравнить с игрой в бильярд: когда двигающийся шар сталкивается с другим, то он передаёт ему определённый импульс, и они оба меняют свою траекторию.
W⁺, W⁻, Z⁰-бозоны и силы слабого взаимодействия
В этой статье мы говорили об элементарных частицах, затрагивая ядерные процессы (α-, β- и γ-распад). Оказывается, за эти процессы ответственна именно эта сила.
Силы слабого взаимодействия обусловлены существованием трёх бозонов: W⁺, W⁻, Z⁰. Первые два обладают электрическим зарядом, на что указывает их знак. Подобные частицы участвуют в ядерных взаимодействиях, которые упоминались в этой статье. Например, возьмём реакцию n + v → p + e-
Тогда соответствующая диаграмма Фейнмана будет выглядеть вот так:
В данном случае, нейтрон сверху теряет отрицательный заряд через бозон W⁻ и приобретает положительный, а нейтрино внизу его наоборот поглощает.
Как читатель мог заметить, на диаграммах нарисованы стрелки. Они обозначают спин, который имеется у частицы. Обычные барионы и лептоны имеют стрелку, которая направлена в вершину. Такие линии называются электронными. Их антиверсии наоборот имеют стрелку, которая направлена против вершины. Такие линии называют позитронными.
Важно упомянуть, что фейнмановские диаграммы можно представить не только на уровне частиц, но и на уровне кварков.
Например, рассмотрим реакцию n → p + e + ¬v:
Как можно заметить, бозон W⁻ забирает с собой отрицательный заряд, поэтому d-кварк превращается в u-кварк.
Z⁰-бозон — это нейтральная частица, которая участвует во взаимодействиях между барионами. Она, как правило, не изменяет конечный заряд частиц, однако в процессе может ими манипулировать. На фундаментальном уровне этот бозон не является чем-то уникальным, а состоит из кварка и антикварка.
Одним из таких частиц является пион (нет, не цветок 😅). Он обозначается как π+, π- или π⁰ и служит для передачи импульса между частицами. Рассмотрим взаимодействие протона с нейтроном:
Как видно, пион служит передатчиком импульса для отталкивания двух барионов. В первом случае задействован π⁰, который не изменяет частицы, когда как во втором заряженнный отрицательно π- переносит заряд, меняя два бариона местами.
На более фундаментальном уровне реакцию с участием π- можно представить как переход кварков между частицами:
Спирали между линиями на диаграмме обозначают следующий и последний вид бозонов.
Глюон и силы сильного взаимодействия
Эта сила действует на барионы и мезоны, о которых мы говорили здесь. Она ответственна за формирование и удержание кварков и частиц в ядрах. Называется же она сильным взаимодействием, потому что из всех четырёх сил она наиболее интенсивна.
Глюон — это частица без массы, которая участвует в силах сильного взаимодействия и изменяет цвет кварка. Всего существует 8 видов этих частиц: 6 переносящих цвет и 2 бесцетных.
Уникальность глюона заключается в том, что фундаментальные силы (гравитация, электромагнетизм и т.п.) уменьшают своё воздейстие с расстоянием, в то время как с глюонами наблюдается обратная картина — интенсивность сил увеличивается с расстоянием. Этот принцип проще понять, если представить, что кварки — это концы эластичной верёвки, между которыми заключён глюон. Чем сильнее ты пытаешься растянуть концы, тем сильнее верёвка будет стягивать их друг к другу.
Глюон, как и кварки, является частицей, которую нельзя наблюдать отдельно. Этот принцип называется конфайнментом.
Однако стоит отметить, что конфайнмент — это сложный и на данный момент недоказанный процесс, который состоит из комплекса взаимодействий фундаментальных сил.
Существует частица, состоящая только из глюонов, которая называется глюболом (glueball), у которой также наблюдается конфайнмент.
Заключение
Эти четыре частицы составляют основу нашего мира, переносят силы, результат которых мы видим каждый день. В научном сообществе ходят предположения по поводу существования бозона гравитации — гравитона. Однако из-за своей слабой природы, обнаружить его будет очень трудно, если вообще возможно.
Тема гравитации несомненно важна и точно будет затронута в будущих статьях. А пока что вы можете подписаться, чтобы следить за обновлениями!