Фундаментальные взаимодействия

Между элементарными частицами существуют четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, которые отличаются радиусом действия, интенсивностью и временем протекания процессов.

Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в ядре, имеет радиус действия 10^-15 м и характеризуется временем протекания вызванных им процессов 10^-23с.

Электромагнитное взаимодействие, лежащее в основе образования атомов и

молекул и химических реакций, имеет неограниченный (бесконечный) радиус действия, константу взаимодействия порядка 10^-2 и характерное время протекания процессов 10^-16с.

Слабое взаимодействие проявляется в b - распадах и реакциях синтеза, протекающих на Солнце и в звездах. Оно имеет радиус действия 10^-18 с, константу взаимодействия порядка 10^-6 и характерное время протекания процессов 10^-10с. Несмотря на малую величину, слабое взаимодействие лежит в основе энергетики Солнца и звезд (если его «выключить, то они погаснут), делая возможным процесс слияния двух протонов с образованием дейтона

или .

Энергия, освобождающаяся в этих реакциях невелика, но получающиеся дейтоны в дальнейшем участвуют в термоядерном синтезе, который и определяет основную величину энергии, выделяющейся в звездах.

Гравитационное взаимодействие играет существенную роль в макромире, определяющую образование и движение планет, звезд, галактик. Константа его взаимодействия порядка 10^-39, радиус действия, как и у электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействие ввиду его малой величины не оказывает существенного влияния на процессы микромира и поэтому при рассмотрении элементарных частиц не учитывается.

Каждое взаимодействие характеризуется определенной константой. В естественной системе единиц, где за единицу массы принимается масса электрона , за единицу длины комптоновская длина волны , а за единицу энергии энергия покоя электрона , электромагнитное взаимодействие двух электронов на единичном расстоянии (равном комптоновской длине волны) равно (в единицах энергии покоя электрона)

Полученную величину, равную называют константой связи электрона с электромагнитным полем или константой электромагнитного взаимодействия. Она представляет собой квадрат элементарного заряда, выраженного в естественных единицах. Аналогичным образом определяется порядок констант сильного и слабого взаимодействия, равных 10 и 10^-14. Точные значения констант сильного и слабого взаимодействия не известы. Константа гравитационного взаимодействия имеет порядок 10^-39.

Любое фундаментальное взаимодействие возникает при обмене частицами-переносчиками взаимодействия, которые имеют спин равный единицеи называются фундаментальными векторными бозонами. Характер происходящих при этом процессов можно проиллюстрировать на примере возникновения электромагнитного взаимодействия двух электронов. Один из электронов испускает фотон и получает импульс в направлении противоположном вылету фотона (как пушка при вылете снаряда). Вылетевший фотон поглощается вторым электроном, который получает импульс, равный импульсу фотона. В результате электроны получают импульсы в противоположных направлениях, что соответствует их электростатическому отталкиванию. Применяя к этому процессу законы сохранения энергии и импульса, можно показать, что для фотона не выполняется соотношение Фотоны, для которых справедливо неравенство называются виртуальными. Испущенный виртуальный фотон не может быть свободным, т.е. не может не поглотиться.

Фотон является безмассовым фундаментальным векторным бозоном. Другие фундаментальные векторные бозоны, рождаемые при взаимодействиях, также являются виртуальными, и для них не выполняется соотношение, связывающее энергию и импульс частицы , что допускается соотношением неопределенности , поскольку они рождаются на очень короткое время.

Переносчиками сильного взаимодействия являются безмассовые глюоны (от английского glue - клей), которые могут испускаться кварками или самими глюонами. Об этих частицах речь пойдет ниже.

Слабое взаимодействие переносят тяжелые промежуточные бозоны W⁺, W^- и Z, массы которых составляют около 100 ГэВ (1 ГэВ=10⁹ эВ).