Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие, сильная ядерное взаимодействие – одна из четырех фундаментальных сил природы, другие три: электромагнитная сила, гравитационная и слабое взаимодействие.
Сильная ядерное взаимодействие была впервые описана японским ученым-физиком Хидэки Юкава в 1935 с использованием обменных частиц – мезонов. Сия есть мощная из взаимодействий. Однако, она проявляется на малых расстояниях (10 -15 м, расстояния соизмеримы с размером ядра атома), связывает вместе кварки для образования адронов, а также связывает протоны и нейтроны в ядре атома. Частицей-носителем сильной ядерного взаимодействия согласно современным представлениям является глюон, их всего 8 типов, каждый из которых имеет нулевую массу (масса покоя) и нулевой заряд. В отличие от обменных частиц других взаимодействий, глюоны могут взаимодействовать друг с другом через другой глюон.
После открытия нуклонов – протонов и нейтронов, стало понятным, что они содержатся в атомном ядре силами, отличными от известных до того времени сил природы – электромагнитных и гравитационных. Протоны, из которых состоят ядра, заряженные одинаково, и, очевидно, существует сила, которая должна противодействовать этому отталкиванию. Однако, исследование ядерных реаций показали, что некоторые процессы происходят быстро, с характерным временем порядка 10 -23 с, а остальные процессы – сравнительно медленно, с характерным временем порядка 10 -10 секунды, поэтому стало ясно, что существуют две различные ядерные взаимодействия, которые назвали сильной и слабой.
Первую теорию сильного взаимодействия построил Хидеки Юкава в 1935. По этой теории радиус действия сильного взаимодействия ограничен расстояниями порядка размеров ядерного ядра, то есть примерно 10 -13 см. Однако, с развитием квантовой хромодинамики в 1960-х и 1970-х, представления об сильное взаимодействие изменились. По современным представлениям сильное взаимодействие является в первую очередь взаимодействием между кварками, из которых состоят нуклоны. Она опосредованная другими частицами – глюонами. Кварки и глюоны обладают свойством, которое называют цветным зарядом. Взаимодействие между цвето заряженными частицами еще сильнее, чем взаимодействие между нуклонами. Кроме того, он не уменьшается с увеличением расстояния между частицами. Поэтому цветные частицы крепко связаны вместе в двойки и тройки, так чтобы компенсировать цветной заряд, и образовать так называемую «белую» композитную частицу, например, нуклон. Это явление называется конфайнментом Отдельно кварки и глюоны экспериментально не наблюдаются. Взаимодействие между нуклонами в такой схеме есть только остатком от сильного взаимодействия между кварками и нуклонами, аналогично тому, как взаимодействие между нейтральными атомами есть только остатком от взаеомодии электрически заряженных электронов и ядер.

Подробнее в статье Квантовая хромодинамика


Основной характеристикой элементарной частицы, что придает ей способность к сильного взаимодействия, в рамках квантовой хромодинамики есть цветной заряд. Всего существует три типа цветных зарядов, которые условно называют красным, зеленым и синим, и три типа цветных антизарядив: античервоний, антизеленая и антисиний. Все эти названия конвенционные. Они никоим образом не соответствуют реальным цветам, которые люди видят в повседневной жизни. Цветные заряды имеют два типа элементарных частиц: кварки и глюоны. Каждый кварк может быть красным, зеленым или синим, антикварк, соответственно, античервоним, антизеленая и антисиним. Глюоны должны одновременно цвет и антиколир, обычно разные, например красно-антизеленая глюон. Это свойство позволяет им быть посредниками при взаимодействии. Например, красный кварк при взаимодействии может випроминиты красно-антизеленая виртуальный глюон. При этом он сам становится зеленым. Другой кварк, зеленый, поглощает этот красно-антизеленая глюон и становится красным. Таким образом, через обмен виртуальными глюонами, осуществляется сильное взаимодействие.
Сильное взаимодействие, гипотетически, не спадает с ростом расстояния между частицами к нулю. Эта ее свойство называется конфайнментом. Благодаря конфайнмента, цветные частицы сильно притягиваются друг к другу. Цветные заряды нейтрализуются двумя способами: объединением трех разных цветов и объединением цвета и антикольору.
Три кварка с красным, зеленым и синим зарядом образуют «бесцветные» или «белую» частицу, барионов, например, протон. При этом, вследствие быстрого обмена глюонами, невозможно сказать, какой из кварков имеет какой цветной заряд. Бесцветная частица взаимодействует с другими бесцветным частицами гораздо слабее, чем кварки взаимодействуют между собой. Бесцветным является также комбинации кварка и антикварка, которые имеют цвет и антиколир. Именно таким образом образуются мезоны.
Наряду с конфайнметном характерной особенностью сильного взаимодействия является асимптотическая свобода – на малых расстояниях и при высоких энергиях взаимодействие между кварками слаба, что позволяет трактовать их как свободные частицы.
Математическое описание
Математически теория сильного взаимодействия является калибровочной теорией, построенной на группе симметрии SU (3). Соответствующая калибровочная инвариантность – это инвариантность относительно вращений в пространстве цветов. Группа SU (3) это группа матриц 3×3 с единичным определителем. Инфинитоземальни генераторы этой группы представляются (как вариант) матрицами Гелл-Манна. Этих матриц всего восемь, определяющий число возможных глюонов.
После построения квантовой хромодинамики остаточную сильное взаимодействие между нуклонами в ядре стали называть ядерным взаимодействием. Это взаимодействие между бесцветным частицами – результат обмена мезонами кварков, входящих в разных нуклонов. Вероятность таких обменов намного меньше, чем вероятность обмена глюонами кварков в составе одного нуклона. Она быстро спадает с расстоянием.
Ядерное взаимодействие можно примерно описать потенциалом Юкавы:

,

где U – потенциал взаимодействия, g – константа, описывающая интенсивность взаимодействия, k – величина обратная радиусу ядерного взаимодействия. Этот потенциал аналогичный экранированном кулоновском потенциала.
Ядерное взаимодействие отвечает за привлечение нуклонов в составе ядра. Она противодействует кулоновском отталкиванию зарядов протонов. Поскольку ядерное взаимодействие растет с увеличением зарядового числа ядра медленнее, чем кулоновская, ядрам с большим зарядом нужно больше нейтронов для обеспечения стабильности. Однако, нейтрон нестабильная частица относительно слабого взаимодействия, поэтому ядра атомов с большим атомным номером нестабильны, относительно радиоактивного распада или деления.
Поиски теории великого объединения сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия ведутся с использованием групп симметрии SU (5) и сложных математических объектов. Такое объединение должно наступать при энергиях крайней мере 14 октября ГэВ, что на много порядков превышает современные экспериментальные возможности человечества.