В ядерной физике и физике элементарных частиц сильное взаимодействие , также называемое сильной силой или сильной ядерной силой , является фундаментальным взаимодействием , которое удерживает кварки в протонах , нейтронах и других адронных частицах. Сильное взаимодействие также связывает нейтроны и протоны, создавая атомные ядра, где оно называется ядерной силой .
Большая часть массы протона или нейтрона является результатом энергии сильного взаимодействия; отдельные кварки обеспечивают лишь около 1% массы протона. В диапазоне 10 −15 м (1 фемтометр , немного больше радиуса нуклона ) сильное взаимодействие примерно в 100 раз сильнее электромагнетизма , в 10 6 раз сильнее слабого взаимодействия и в 10 38 раз сильнее гравитации . [1]
В контексте атомных ядер эта сила связывает протоны и нейтроны вместе, образуя ядро, и называется ядерной силой (или остаточной сильной силой ). [2] Поскольку сила передается массивными, короткоживущими мезонами в этом масштабе, остаточное сильное взаимодействие подчиняется поведению, зависящему от расстояния между нуклонами, которое совершенно отличается от того, когда оно действует, чтобы связывать кварки в адронах. Существуют также различия в энергиях связи ядерной силы в отношении ядерного синтеза по сравнению с ядерным делением . Ядерный синтез отвечает за большую часть производства энергии на Солнце и других звездах . Ядерное деление допускает распад радиоактивных элементов и изотопов , хотя оно часто опосредовано слабым взаимодействием. Искусственно энергия, связанная с ядерной силой, частично высвобождается в ядерной энергетике и ядерном оружии , как в урановом или плутониевом оружии деления, так и в термоядерном оружии, таком как водородная бомба . [3] [4]
До 1971 года физики не были уверены в том, как атомное ядро связано вместе. Было известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов и что протоны обладают положительным электрическим зарядом , в то время как нейтроны электрически нейтральны. Согласно пониманию физики того времени, положительные заряды будут отталкиваться друг от друга, а положительно заряженные протоны должны будут заставить ядро разлететься на части. Однако этого никогда не наблюдалось. Для объяснения этого явления требовалась новая физика.
Была постулирована более сильная сила притяжения, чтобы объяснить, как атомное ядро было связано, несмотря на взаимное электромагнитное отталкивание протонов . Эта гипотетическая сила была названа сильной силой , которая, как полагали, была фундаментальной силой, действующей на протоны и нейтроны , составляющие ядро.
В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и отдельно Джордж Цвейг предположили, что барионы , которые включают протоны и нейтроны, и мезоны состоят из элементарных частиц. Цвейг назвал элементарные частицы «асами», 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 то, что называется цветным зарядом , хотя он не имеет никакого отношения к видимому цвету. [6] Кварки с разным цветным зарядом притягиваются друг к другу в результате сильного взаимодействия, и частица, которая является посредником этого, была названа глюоном .
Сильное взаимодействие наблюдается в двух диапазонах и опосредовано различными 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 большем масштабе, 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 подвергаются удару высокоэнергетических частиц, они производят струи массивных частиц вместо того, чтобы испускать свои составляющие ( кварки и глюоны) как свободно движущиеся частицы. Это свойство сильного взаимодействия называется ограничением цвета .
Слово «сильное» используется, поскольку сильное взаимодействие является «самым сильным» из четырех фундаментальных взаимодействий. На расстоянии 10 −15 м его сила примерно в 100 раз больше, чем у электромагнитного взаимодействия , примерно в 10 6 раз больше, чем у слабого взаимодействия, и примерно в 10 38 раз больше, чем у гравитационного взаимодействия .
Сильное взаимодействие описывается квантовой хромодинамикой (КХД), частью Стандартной модели физики элементарных частиц. Математически КХД является неабелевой калибровочной теорией, основанной на локальной (калибровочной) группе симметрии , называемой SU(3) .
Частица-носитель силы сильного взаимодействия — глюон, безмассовый калибровочный бозон . Считается, что глюоны взаимодействуют с кварками и другими глюонами посредством типа 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 нейтрален, глюон несет цветовой заряд. Кварки и глюоны — единственные фундаментальные частицы, которые несут неисчезающий цветовой заряд, и, следовательно, они участвуют в сильных взаимодействиях только друг с другом. Сильное взаимодействие является выражением взаимодействия глюона с другими кварковыми и глюонными частицами.
Все кварки и глюоны в КХД взаимодействуют друг с другом посредством сильного взаимодействия. Сила взаимодействия параметризуется константой сильной связи . Эта сила модифицируется калибровочным цветовым зарядом частицы, групповым теоретико-групповым свойством.
Сильное взаимодействие действует между кварками. В отличие от всех других сил (электромагнитных, слабых и гравитационных), сильное взаимодействие не уменьшается по силе с увеличением расстояния между парами кварков. После достижения предельного расстояния (примерно размера адрона ) оно остается на силе около10 000 Н , независимо от того, насколько больше расстояние между кварками. [7] : 164 По мере того, как расстояние между кварками увеличивается, энергия, добавленная к паре, создает новые пары соответствующих кварков между исходными двумя; следовательно, невозможно изолировать кварки. Объяснение заключается в том, что количество работы, выполненной против силы10 000 Н достаточно для создания пар частица-античастица на очень коротком расстоянии. Энергия, добавленная к системе путем разъединения двух кварков, создаст пару новых кварков, которые объединятся с исходными. В КХД это явление называется ограничением цвета ; в результате можно наблюдать только адроны, а не отдельные свободные кварки. Неудача всех экспериментов, в которых искали свободные кварки , считается доказательством этого явления.
Элементарные кварковые и глюонные частицы, участвующие в столкновении высокой энергии, не могут быть непосредственно наблюдаемы. Взаимодействие производит струи вновь созданных адронов, которые можно наблюдать. Эти адроны создаются как проявление эквивалентности массы и энергии, когда в связь кварк-кварк вкладывается достаточно энергии, как когда кварк в одном протоне сталкивается с очень быстрым кварком другого ударяющегося протона во время эксперимента на ускорителе частиц . Однако кварк-глюонная плазма была обнаружена. [8]
В то время как ограничение цвета подразумевает, что сильное взаимодействие действует без уменьшения расстояния между парами кварков в компактных наборах связанных кварков (адронов), на расстояниях, приближающихся или превышающих радиус протона, остается остаточная сила (описанная ниже). Она проявляется как сила между «бесцветными» адронами и известна как ядерная сила или остаточная сильная сила (и исторически как сильная ядерная сила ).
Ядерная сила действует между адронами, известными как мезоны и барионы . Эта «остаточная сильная сила», действуя косвенно, переносит глюоны, которые образуют часть виртуальных π и ρ мезонов , которые, в свою очередь, передают силу между нуклонами, которая удерживает ядро (за пределами ядра водорода-1 ) вместе. [9]
Остаточная сильная сила, таким образом, является незначительным остатком сильной силы, которая связывает кварки вместе в протоны и нейтроны. Эта же сила намного слабее между нейтронами и протонами, потому что она в основном нейтрализована внутри них, так же, как электромагнитные силы между нейтральными атомами ( силы Ван-дер-Ваальса ) намного слабее электромагнитных сил, которые удерживают электроны в ассоциации с ядром, образуя атомы. [7]
В отличие от сильного взаимодействия, остаточное сильное взаимодействие уменьшается с расстоянием, и делает это быстро. Уменьшение происходит приблизительно как отрицательная экспоненциальная степень расстояния, хотя простого выражения для этого не существует; см. потенциал Юкавы . Быстрое уменьшение с расстоянием притягивающей остаточной силы и менее быстрое уменьшение отталкивающей электромагнитной силы, действующей между протонами внутри ядра, вызывает нестабильность более крупных атомных ядер, таких как все те, у которых атомные номера больше 82 (элемент свинец).
Хотя ядерная сила слабее, чем само сильное взаимодействие, она все еще очень энергична: переходы производят гамма-лучи . Масса ядра значительно отличается от суммарных масс отдельных нуклонов. Этот дефект массы обусловлен потенциальной энергией, связанной с ядерной силой. Различия между дефектами массы приводят в действие ядерный синтез и ядерное деление .
Так называемые Великие Объединенные Теории (GUT) стремятся описать сильное взаимодействие и электрослабое взаимодействие как аспекты единой силы, подобно 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, при которой ее сила становится равной электрослабому взаимодействию, является энергией великого объединения . Однако ни одна Великая Объединенная Теория до сих пор не была успешно сформулирована для описания этого процесса, и Великое Объединение остается нерешенной проблемой в физике .
Если теория великого объединения верна, то после Большого взрыва и в течение электрослабой эпохи Вселенной электрослабая сила отделилась от сильной. Соответственно, предполагается, что эпоха великого объединения существовала до этого.
Идиоты-физики, неспособные больше придумать никаких замечательных греческих слов, называют этот тип поляризации неудачным названием «цвет», которое не имеет ничего общего с цветом в обычном смысле.
