В ядерной физике и физике элементарных частиц сильное взаимодействие , также называемое сильным взаимодействием или сильным ядерным взаимодействием , представляет собой фундаментальное взаимодействие , которое ограничивает кварки протонами , нейтронами и другими адронными частицами. Сильное взаимодействие также связывает нейтроны и протоны с образованием атомных ядер, где оно называется ядерной силой .
Большая часть массы протона или нейтрона является результатом энергии сильного взаимодействия ; отдельные кварки составляют лишь около 1% массы протона. На расстоянии 10–15 м (1 фемтометр , чуть больше радиуса нуклона ) сильное взаимодействие примерно в 100 раз сильнее электромагнетизма , в 10 6 раз сильнее слабого взаимодействия и в 10 38 раз сильнее. как гравитация . [1]
В контексте атомных ядер сила связывает протоны и нейтроны вместе, образуя ядро, и называется ядерной силой (или остаточной сильной силой ). [2] Поскольку в этом масштабе сила опосредована массивными короткоживущими мезонами , остаточное сильное взаимодействие подчиняется зависимому от расстояния поведению между нуклонами, которое совершенно отличается от того, когда оно действует, связывая кварки внутри адронов. Существуют также различия в энергиях связи ядерных сил в отношении ядерного синтеза и ядерного деления . На долю ядерного синтеза приходится большая часть производства энергии на Солнце и других звездах . Деление ядер приводит к распаду радиоактивных элементов и изотопов , хотя он часто опосредован слабым взаимодействием. Искусственно энергия, связанная с ядерной силой, частично высвобождается в ядерной энергетике и ядерном оружии , как в оружии деления на основе урана или плутония , так и в термоядерном оружии, таком как водородная бомба . [3] [4]
До 1971 года физики не знали, как атомное ядро связано друг с другом. Было известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов и что протоны обладают положительным электрическим зарядом , а нейтроны электрически нейтральны. Согласно тогдашнему пониманию физики, положительные заряды отталкивали бы друг друга, а положительно заряженные протоны должны были бы заставить ядро разлететься на части. Однако этого никогда не наблюдалось. Для объяснения этого явления была необходима новая физика.
Была постулирована более сильная сила притяжения, чтобы объяснить, как атомное ядро связано, несмотря на взаимное электромагнитное отталкивание протонов . Эта гипотетическая сила была названа сильной силой , которая считалась фундаментальной силой, действующей на протоны и нейтроны , составляющие ядро.
В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и отдельно Джордж Цвейг предположили, что барионы , в состав которых входят протоны и нейтроны, и мезоны состоят из элементарных частиц. Цвейг назвал элементарные частицы «тузами», а Гелл-Манн назвал их «кварками»; теория стала называться моделью кварков . [5] Сильное притяжение между нуклонами было побочным эффектом более фундаментальной силы, которая связывала кварки вместе в протоны и нейтроны. Теория квантовой хромодинамики объясняет, что кварки несут так называемый цветовой заряд , хотя к видимому цвету он не имеет никакого отношения. [6] Кварки с разным цветовым зарядом притягиваются друг к другу в результате сильного взаимодействия, а частица, опосредующая это, была названа глюоном .
Сильное взаимодействие наблюдается в двух диапазонах и опосредуется разными носителями силы в каждом из них. В масштабе менее 0,8 фм (примерно радиус нуклона) сила переносится глюонами и удерживает кварки вместе, образуя протоны, нейтроны и другие адроны. В более широком масштабе, примерно до 3 Фм, сила переносится мезонами и связывает нуклоны ( протоны и нейтроны ) вместе , образуя ядро атома . [2] В первом контексте ее часто называют цветовой силой , и она настолько сильна, что если адроны сталкиваются с частицами высокой энергии, они производят струи массивных частиц вместо того, чтобы свободно испускать свои составляющие (кварки и глюоны). движущиеся частицы. Это свойство сильного взаимодействия называется ограничением цвета .
Слово «сильное» используется, поскольку сильное взаимодействие является «самой сильной» из четырех фундаментальных сил. На расстоянии 10–15 м его сила примерно в 100 раз превышает силу электромагнитного взаимодействия , примерно в 10 6 раз больше силы слабого взаимодействия и примерно в 10 38 раз больше силы гравитации .
Сильное взаимодействие описывается квантовой хромодинамикой (КХД), частью Стандартной модели физики элементарных частиц. Математически КХД — это неабелева калибровочная теория , основанная на локальной (калибровочной) группе симметрии , называемой SU(3) .
Частицей-носителем силы сильного взаимодействия является глюон, безмассовый калибровочный бозон . Считается, что глюоны взаимодействуют с кварками и другими глюонами посредством заряда, называемого цветовым зарядом . Цветовой заряд аналогичен электромагнитному заряду, но он бывает трех типов (±красный, ±зеленый и ±синий), а не одного, что приводит к разным правилам поведения. Эти правила описываются квантовой хромодинамикой (КХД) — теорией кварк-глюонных взаимодействий. В отличие от фотона в электромагнетизме, который является нейтральным, глюон несет цветовой заряд. Кварки и глюоны — единственные фундаментальные частицы, несущие неисчезающий цветовой заряд, а значит, они участвуют в сильных взаимодействиях только друг с другом. Сильное взаимодействие является выражением взаимодействия глюона с другими кварками и глюонными частицами.
Все кварки и глюоны в КХД взаимодействуют друг с другом посредством сильного взаимодействия. Сила взаимодействия параметризуется константой сильной связи . Эта сила изменяется в зависимости от калибровочного цветового заряда частицы, что является теоретико-групповым свойством.
Между кварками действует сильное взаимодействие. В отличие от всех других взаимодействий (электромагнитного, слабого и гравитационного), сильное взаимодействие не уменьшается с увеличением расстояния между парами кварков. После достижения предельного расстояния (около размера адрона ) его сила остается примерно10 000 Н , независимо от того, насколько дальше расстояние между кварками. [7] : 164 По мере того, как расстояние между кварками увеличивается, энергия, добавленная к паре, создает новые пары совпадающих кварков между двумя исходными; следовательно, невозможно изолировать кварки. Объяснение состоит в том, что объем работы, совершаемой против силы10 000 Н достаточно, чтобы создать пары частица-античастица на очень коротком расстоянии. Энергия, добавленная в систему за счет разделения двух кварков, создаст пару новых кварков, которые соединятся в пары с первоначальными. В КХД это явление называется ограничением цвета ; в результате можно наблюдать только адроны, а не отдельные свободные кварки. Свидетельством этого явления считается неудача всех экспериментов по поиску свободных кварков .
Элементарные кварковые и глюонные частицы, участвующие в столкновении высоких энергий, непосредственно не наблюдаются. В результате взаимодействия образуются струи вновь созданных адронов, которые можно наблюдать. Эти адроны создаются как проявление эквивалентности массы и энергии, когда в связь кварк-кварк вкладывается достаточно энергии, например, когда кварк в одном протоне поражается очень быстрым кварком другого ударяющегося протона во время эксперимента с ускорителем частиц . Однако наблюдалась кварк-глюонная плазма . [8]
Хотя ограничение цвета подразумевает, что сильная сила действует без уменьшения расстояния между парами кварков в компактных совокупностях связанных кварков (адронов), на расстояниях, приближающихся к радиусу протона или превышающих его, остается остаточная сила (описанная ниже). Эта остаточная сила действительно быстро уменьшается с расстоянием и, следовательно, действует на очень коротком расстоянии (фактически несколько фемтометров). Оно проявляется как сила между «бесцветными» адронами и известна как ядерное взаимодействие или остаточное сильное взаимодействие (и исторически — сильное ядерное взаимодействие ).
Ядерная сила действует между адронами, известными как мезоны и барионы . Эта «остаточная сильная сила», действуя косвенно, передает глюоны, входящие в состав виртуальных π- и ρ- мезонов , которые, в свою очередь, передают силу между нуклонами, удерживающую ядро (помимо ядра водорода-1 ) вместе. [9]
Таким образом, остаточное сильное взаимодействие представляет собой незначительный остаток сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе в протоны и нейтроны. Эта же сила гораздо слабее между нейтронами и протонами, потому что она в основном нейтрализуется внутри них, точно так же, как электромагнитные силы между нейтральными атомами ( силы Ван-дер-Ваальса ) намного слабее, чем электромагнитные силы, удерживающие электроны в связи с ядром. , образуя атомы. [7]
В отличие от сильного взаимодействия, остаточная сильная сила уменьшается с расстоянием, и происходит это быстро. Уменьшение примерно равно отрицательной экспоненциальной степени расстояния, хотя для этого не существует простого выражения; см. потенциал Юкавы . Быстрое уменьшение с расстоянием остаточной силы притяжения и менее быстрое уменьшение электромагнитной силы отталкивания, действующей между протонами внутри ядра, вызывает нестабильность более крупных атомных ядер, например, всех ядер с атомными номерами больше 82 (элемент-свинец). .
Хотя ядерное взаимодействие слабее, чем само сильное взаимодействие, оно все же очень энергично: переходы производят гамма-лучи . Масса ядра существенно отличается от суммы масс отдельных нуклонов. Этот дефект массы обусловлен потенциальной энергией, связанной с ядерной силой. Различия между дефектами массы при ядерном синтезе и делении ядер .
Так называемые теории Великого объединения (GUT) направлены на описание сильного взаимодействия и электрослабого взаимодействия как аспектов одной силы, аналогично тому, как электромагнитное и слабое взаимодействия были объединены моделью Глэшоу-Вайнберга-Салама в электрослабое взаимодействие . Сильное взаимодействие обладает свойством, называемым асимптотической свободой , при котором сила сильного взаимодействия уменьшается при более высоких энергиях (или температурах). Теоретическая энергия, сила которой становится равной электрослабому взаимодействию, является энергией великого объединения . Однако до сих пор не было успешно сформулировано ни одной Теории Великого Объединения, описывающей этот процесс, и Великое Объединение остается нерешенной проблемой в физике .
Если теория GUT верна, то после Большого взрыва и в эпоху электрослабого существования Вселенной электрослабое взаимодействие отделилось от сильного взаимодействия. Соответственно, предполагается, что до этого существовала эпоха великого объединения .
Идиоты-физики, неспособные больше придумать ни одного замечательного греческого слова, называют этот тип поляризации неудачным названием «цвет», которое не имеет ничего общего с цветом в обычном смысле.
