В предыдущей статье про стандартную модель элементарных частиц мы затронули темы сильного и слабого взаимодействий. В общем и целом все кажется понятно - сильное взаимодействие проявляет себя на малых масштабах (порядка 10 в -15 степени метров - фемтометр), т.е. в масштабах атомного ядра. Его назвали сильным не случайно, ведь на таких масштабах оно преобладает над электромагнитным взаимодействием (т.е. кулоновским отталкиванием), связывая протоны и нейтроны друг с другом.
Другими словами, без сильного взаимодействия, протоны бы отталкивались друг от друга из-за одинаковых электрических зарядов, и ядро бы не смогло существовать. Но благодаря сильному взаимодействию, протоны и нейтроны связаны в единое целое, формируя стабильные атомные ядра.
Переносчиком является глюон - виртуальная частица связывающая кварки.
Что было проще, представьте что кварки - это шарики, тогда глюоны - это "клей-момент", который склеивает, сцепляет эти шарики друг с другом. Сейчас мы кратко и очень грубо описали всю суть квантовой хромодинамики - раздела физики, который специализируется на сильном взаимодействии. Сокращенно иногда ее обозначают QCD. Как вы уже наверное поняли, в её основе лежит взаимодействие кварков и глюонов. В квантовой хромодинамике частицы имеют так называемый цветовой заряд (аналог электрического заряда в электромагнитном взаимодействии). Существует три вида цветовых зарядов, которые условно называют красным, зелёным и синим.
Немного истории
Впервые о необходимости введения понятия сильного взаимодействия люди задумались в 1930-х годах. Напомню, на тот момент были известны только два вида взаимодействия в природе - электромагнитное и гравитационное. Но ни одно из них не отвечало на вопрос - "почему атомные ядра стабильны?".
Так в 1935 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов.
нуклоны - элементарные частицы, являющиеся основными составляющими атомного ядра (протоны, нейтроны ...)
В ней он ввел новые частицы - пи-мезоны, которыми нуклоны обменивались друг с другом. На рисунке ниже показана кварковая модель такого взаимодействия. Например, в протоне, в момент вылета пи-мезона, происходит рождение пары кварк-антикварк. Когда пи-мезон достигает другого нуклона происходит аннигиляция пары кварк-антикварк (т.е. взаимное уничтожение).
Кстати! Пионы (так сокращенно называют пи-мезоны) были обнаружены экспериментально на ускорителях в 1947 году.
В свое время это дало понять ученым, что в ядерных силах, помимо обычных сил, вызванных эффектом Вигнера, которые возникают из-за обмена нейтральными пионами, присутствует также обменная составляющая, являющаяся результатом пион-нуклонного взаимодействия между нуклонами. Т.е. частицы обмениваются пространственными и/или спиновыми состояниями.
Что было дальше
Вообще говоря, пион-нуклонное взаимодействие нуклонов в ядре это еще не совсем то «элементарное» взаимодействие о котором мы говорим. Если сравнивать нуклоны с чем то покрупнее, например с молекулами, то взаимодействие нуклонов в ядре скорее можно сравнить с силами Ван-дер-Ваальса, которые возникают в результате электромагнитного взаимодействия.
Ученые продолжили изучать нуклоны и искать новые частицы. К 1950 году было обнаружено множество новых частиц, находящихся в том числе в атомном ядре, но все они, как правило, обладали малым временем жизни.
Вообще говоря, чтобы вам было понятнее частицы из двух кварков называют - мезоны, частицы из трех кварком называют - барионы. Привычные нам протоны и нейтроны - это барионы.
Позднее в середине 1960-х годов была обнаружена SU(3) симметрия свойств адронов. Говоря проще - так были открыты кварки. Т.е. ученые поняли, что адроном не бесконечное количество и, что известные адроны обладают некой симметрией характеристик.
В 1970-х годах была сформулирована теория, о которой мы как раз говорили в самом начале статьи - квантовая хромодинамика.
Основные положения этой теории таковы:
- Каждый кварк обладает новым внутренним квантовым числом, называемым цветом.
- В дополнение к существующим степеням свободы, кварку приписывается определённый вектор состояния в трёхмерном комплексном цветовом пространстве.
- В соответствии с калибровочным подходом, накладывается требование инвариантности наблюдаемых свойств относительно унитарных вращений в цветовом пространстве кварков, что соответствует элементам группы SU(3). Таким образом, КХД является теорией Янга — Миллса.
- Возникающее калибровочное поле описывает взаимодействие кварков, и его кванты называются глюонами.
Еще раз подытожим
Основными участниками сильного взаимодействия являются протоны и нейтроны, которые вместе называются нуклонами. Нуклоны состоят из более мелких частиц – кварков, которые "склеиваются" друг с другом глюонами, выступающими в роли переносчиков сильного взаимодействия.
Сильное взаимодействие обладает следующими свойствами: короткий радиус действия, удержание нуклонов, конфайнмент.
Кварки не могут существовать в свободном состоянии, их всегда связывают вместе другие кварки в составные частицы. Это и называется конфайнмент.
Можете посмотреть ниже анимацию, которая наглядно объясняет - что такое конфайнмент. На ней даже показан цветовой заряд.
Надеюсь теперь вы немного понимаете или хотя бы имеете представление о том, что такое сильное взаимодействие и зачем оно нужно. Но если вам показалось что-то непонятным, или какой-то момент хотелось бы раскрыть подробнее, не стесняйтесь писать об этом в комментарии. Уверен я или кто-то из других комментаторов сможем удовлетворить ваше любопытство.
До новых встреч ;)