§3 Сильное и слабое взаимодействия

В пространственной области, меньшей 10^-11-10^-13см, решающую роль по интенсивности играют сильные взаимодействия и проявляются слабые. Важнейшее проявление сильных взаимодействий — образова­ние связанных систем из протонов и нейтронов, т. е. образование ядер из нуклонов. Благодаря малым размерам ядер, основную роль в них играют именно сильные взаимодействия, поэтому свойства и характеристики ядер должны вытекать из свойств сильных взаимодействий. И, наоборот, о сильном взаимодействии можно судить по свойствам ядер.

Если для электромагнитных взаимодействий в квантовой механике постоянно пользуются принципом соответствия и переходят от макроскопического классического выражения к квантовомеханическому выражению, то для сильных взаимодействий так поступить не удается. Таким образом, даже простейшую систему протон- нейтрон можно изучить лишь путем эмпирического подбора математических выражений для взаимодействия. На этом пути выяснены многие важные особен­ности сильных взаимодействий: короткодействие, зависимость от спинов, нецентральный характер, зарядовая независимость (не зависят от электрического заряда), притяжение при 10~¹³ см и отталкивание на меньших расстояниях, насыщение, возможная зависимость от скоростей. Следует, однако, заметить, что эти выводы не универсальны для всего пространственного диапазона проявления сильных взаимодействий, так как получены в част­ном случае сравнительно больших расстояний и соответственно малых энергий частиц. Явления, развивающиеся при меньших расстояниях и больших энергиях, в рамки теории не укладываются.

Исходя из общей схемы взаимодействий на уровне элементарных частиц посредником или носителем сильного взаимодействия является соответствующий квант поля. Виртуальные частицы, осуществляющие взаимодействие на расстоянии не более 10~¹³ см, должны обладать массой 200m_е.( m_е — масса электрона). Кроме того, для протонов и нейтронов с учетом зарядовой независимости взаимодействий следует ожи­дать как заряженные, так и нейтральные кванты поля. Наконец, чтобы спин нуклонов при обмене квантами оставался полуцелым, последние должны иметь целый (или нулевой) спин. Частицы, обладающие всеми нужными качествами, действительно найдены в свободном состоянии, это пи-мезоны (π+, π°, π^-), или пионы (масса пиона около 270 m_е).

При обмене заряженным пионом протон и нейтрон «обмени­ваются» состояниями, обмен же нейтральными пионами соот­ветствует взаимодействиям протон-протон, нейтрон-нейт­рон без изменения заряда.

Приведенная качественная схема сильного взаимодействия между нуклонами с помощью виртуальных пионов в настоящее время общепринята. Очевидно, что обмен виртуальным пионом может вызвать как связанные состояния, так и рассеяние нукло­нов на нуклонах. Вместе с тем в процессах взаимодействия нукло­нов виртуальные пионы могут превращаться в реальные и наобо­рот, т. е. при столкновении нуклонов с достаточной энергией должны рождаться пионы; при определенных условиях они долж­ны испускаться и поглощаться ядрами. Аналогично рождению пары электрон-позитрон, нейтральный пион (три соблюдении зако­нов сохранения) может дать пару протон-антипротон: π°→р+ .

Что касается самого процесса испускания и поглощения вирту­альных квантов, то он по своей природе является вероятностным, т. е. каждый отдельный акт случаен, и можно говорить только об определенной вероятности его наступления за то или иное время. Закономерность в целом носит статистический характер и приводит к динамическим законам для больших совокупностей элементарных частиц и больших промежутков времени.

Слабые взаимодействия по сравнению с сильными и электро­магнитными обладают некоторыми новыми принципиально важ­ными особенностями. Поскольку пространственная область их проявления перекрывается с областью сильных и электромагнит­ных, причем они примерно на 20 порядков уступают сильным, во многих случаях решающую роль в явлениях играют не они. Однако существуют процессы, обусловленные именно слабыми взаимодействиями. Характерны в этом отношении распады эле­ментарных частиц, запрещенные для сильных взаимодействий законом сохранения странности. Большая часть нестабильных частиц распадается в течение вре­мени, характерного для слабого взаимодействия.

Слабым взаимодействием вызван β-распад нуклонов в ядрах вещества (а вместе с тем и β-активность ядер): ; . Но слабые взаимодействия приводят не только к распадам: существуют слабые процессы образования частиц. Однако обна­ружение таких частиц в реакциях с очень малым сечением представляет сложнейшую научно-техническую задачу. Все же в 1956 г. была зарегистрирована реакция, обратная распаду нейтрона: .

Зарегистрированы к настоящему времени и некоторые другие реакции образования частиц при слабом взаимодействии. Сущест­вует элементарная частица, природу которой следует связывать только со слабыми взаимодействиями: это нейтрино, возникаю­щее и участвующее только в них.

Очень трудно установить, имеют ли место слабые взаимодей­ствия наряду с сильными, т. е. универсальны ли они для адронов. В настоящее время есть основания считать, что это так. Группа советских ученых в 1964—1970 гг. провела исследования, подтвер­дившие наличие слабых взаимодействий между протонами и нейтронами. Слабые взаимодействия идут с нарушением про­странственной четности, что, с одной стороны, отличает их от сильных и электромагнитных, а с другой — затрагивает сами основания физической теории, ибо сохранение четности непо­средственно связано со свойствами пространства.

Поскольку сильные и слабые взаимодействия не проявляются на макроскопическом уровне, то не существует и соответствующих макроскопических полей с их силовым описанием. Когда говорят о полях сильных и слабых взаимодействий, имеют в виду кван­товое описание: поля представляют собой совокупности квантов.

Вопросы для самоконтроля:

1.Каков радиус действия сильного взаимодействия?

2. Каков радиус действия сильного взаимодействия?

3. По какой особенности схожи сильное и электрическое взаимодействия частиц?

4. По какой особенности схожи сильное и гравитационное взаимодействия частиц?

5.Какие частицы являются частицами обмена при сильном взаимодействии?

6. Какие частицы являются частицами обмена при слабом взаимодействии?