§ 45. ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ

Если отвлечься от очень слабого гравитационного взаимодействия, то элементарные частицы обладают взаимодействиями трех основных классов: сильными взаимодействиями, электромагнитными взаимодействиями и слабыми взаимодействиями. Они сильно отличаются друг от друга величиной вероятности вызываемых ими процессов. Например, при энергиях эти вероятности относятся приблизительно как при других энергиях эти цифры могут несколько изменяться.

Сильные взаимодействия — главные взаимодействия между нуклонами, входящими в состав ядра Они в основном определяют устойчивость атомных ядер, расстояние между энергетическими уровнями в ядрах, энергию связи ядер, ядерные силы, выделение энергии при делении урана. К сильным взаимодействиям относятся также взаимодействия нуклонов с пионами и каонами, являющимися квантами ядерного поля и некоторые другие.

Для того чтобы можно было сравнивать силу различных взаимодействий частиц с соответствующим полем, по аналогии с кулоновскими электрическими зарядами вводится понятие ядерного заряда — Величина определяется из опытов по рассеянию пионов на нуклонах и в других экспериментах.

Сила взаимодействия единичного заряда с полем определяется безразмерной константой связи, которая для случая ядерного поля равна

Иногда данный тип взаимодействия называют «быстрым», поскольку обусловленные им процессы имеют длительность порядка сек (характерное ядерное время, которое требуется релятивистской частице, чтобы пройти сквозь ядро).

Сильные взаимодействия проявляются на малых расстояниях порядка это расстояние близко к диаметру сильновзаимодействующих частиц. При увеличении расстояния силы экспоненциально убывают. Типичное сечение такого взаимодействия частиц при энергиях, много больших энергий покоя, мало меняется и имеет порядок

Электромагнитные взаимодействия — взаимодействия между электромагнитным полем и заряженными частицами. Эти взаимодействия менее сильные, чем первые; безразмерной константой связи, характеризующей их силу, является так называемая постоянная тонкой структуры а:

Внутри ядра электромагнитные взаимодействия по своей величине являются малой поправкой к ядерным взаимодействиям. К данному типу относятся взаимодействия между электронами и позитронами, взаимодействия между протонами и электронами, сюда же относится распад:

Электромагнитные силы убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между заряженными телами, а радиус действия их в принципе бесконечен.

Слабые взаимодействия — ответственны за -распад ядер, за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабыми взаимодействиями объясняются, например, процессы

а) (З-распада:

б) распада заряженных мезонов:

Для этих процессов сила взаимодействия имеет величину порядка Слабые взаимодействия представляют собой несколько особый случай в том отношении, что «квантами поля» являются не отдельные частицы (фотоны в электромагнитных взаимодействиях, пионы — в сильных), а пары частиц или Существуют попытки свести их к «обычному типу» на основе гипотезы, что существует особое поле, играющее промежуточную роль. Источниками его могут быть как электроны, так и нуклоны. В таком случае может существовать -частица, являющаяся квантом этого поля. Она должна обладать большой массой, иметь заряд и единичный угловой момент и участвовать в цепи процессов, например

Однако поиски этой частицы не увенчались успехом.

Эффективные сечения слабых взаимодействий вплоть до энергии порядка (в системе центра инерции) растут с энергией.

Многие частицы испытывают все перечисленные виды взаимодействия. Так, например, протон, являясь сильновзаимодействующей частицей, обладает электрическим зарядом и испытывает действие электромагнитных сил. Протон может образоваться при -распаде нейтрона, хотя этот процесс обусловлен слабым взаимодействием. Следовательно, для протона надо учитывать и слабое взаимодействие.

В той степени, в какой можно пренебрегать слабыми взаимодействиями, нейтрон можно считать элементарным, устойчивым и неделимым. Точно так же в той степени, в которой можно пренебрегать электромагнитными взаимодействиями, протон и нейтрон тождественны. Казалось бы, что элементарным, т. е. наиболее простым частицам должно быть свойственно минимальное число взаимодействий, в которых они могут участвовать. Нейтрино, например, участвует только в слабых взаимодействиях.

Однако сам термин «элементарная частица» потерял свой простой и наглядный смысл применительно к известным частицам материи, и вопрос о критерии «элементарности» до сих пор не решен. Возможно, что ныне известные частицы на самом деле не элементарны, а являются производными от ограниченного числа «истинно» элементарных частиц, а возможно, что каждая частица представляет собой конгломерат всех остальных частиц и концепция элементарности в обычном ее понимании становится неприменимой к миру мельчайших частиц материи. В связи с этим все чаще встречается термин «фундаментальные» частицы.

Во всех рассуждениях здесь опускались гравитационные силы, которые на малых расстояниях примерно в раз слабее ядерных сил. Можно надеяться, что в будущем теория элементарных частиц включит все виды взаимодействия и установит связь между ними.