Силно ядрено взаимодействие

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Серия статии на тема

Ядрена физика

Deuterium-tritium fusion.svg
Радиоактивност
Ядрено делене
Термоядрен синтез

Силно ядрено взаимодействие (наричано понякога цветно взаимодействие [1] или само силно взаимодействие) е едно от четирите фундаментални взаимодействия във физиката. Силното взаимодействие действува на много къси разстояния — в мащабите на атомните ядра или по-малко — като на него се дължи привличането между нуклеоните в ядрата. Описано според съвременната квантова хромодинамика, в силното взаимодействие участват кварките и глуоните, които са неговите калибровъчни бозони, а също така съставените от тях елементарни частици, наречени адрони (най-известни примери за адрони са протоните и неутроните, изграждащи голяма част от познатата ни материя).

История[редактиране | edit source]

Теория за пион-нуклеонното взаимодействие[редактиране | edit source]

Необходимостта от въвеждане на понятието силно взаимодействие възниква през 30-те години на 20-и век, когато става ясно, че нито гравитационното, нито електромагнитното взаимодействие не могат да отговорят на въпроса: Какво свързва нуклеоните в атомните ядра. През 1935 г. японският физик Хидеки Юкава изгражда първата количествена теория за взаимодействие между нуклеоните, като предполага, че те си обменят частици, днес известни като пи (\pi) мезони (или съкратено пиони). Впоследствие пионите са открити експериментално (1947 г.)

В тази теория (наричана също теория за пион-нуклеонното взаимодействие) привличането или отблъскването между двата нуклеона става чрез изпускане на пион от единия нуклеон и поглъщането му от другия нуклеон (по аналогия с електромагнитното взаимодействие, което се описва като обмен на виртуален фотон. Тази теория успешно описва цял кръг от явления. Численият коефициент, определящ „ефективността“ на изпускане на пион, се оказва много голям (в сравнение с аналогичния коефициент за електромагнитното взаимодействие), което и определя „силата“ на силното взаимодействие.

Феноменология на силните взаимодействия при адроните[редактиране | edit source]

През 50-те години са открити огромен брой нови елементарни частици, като болшинството от тях имат твърде кратък живот. Всички тези частици са силно взаимодействащи: ефективното им сечение на разсейване (взаимодействие) една с друга е от същия порядък като сеченията на взаимодействие на нуклоните и пионите и забележимо надвишава сечението им на взаимодействие с електрони.

Сред тези адрони има както мезони, така и бариони. Те имат различен спин и електрически заряд, а в разпределението им по маси и в предпочитаните канали на разпад се забелязва известна закономерност, но не е ясно на какво се дължи това.

По аналогия с пион-нуклонното разсейване е построен модел на силните взаимодействия за тези адрони, в който на всеки тип взаимодействие и на всеки тип разпад съответствува своя константа на взаимодействието. Някои от наблюдаваните закономерности обаче не могат да бъдат обяснени и за тях просто се постулират т.нар. „правила на играта“, на които се подчиняват адроните ( напр. правило на Цвайг, запазване на изоспина и G-четността и др.). Макар че общо взето това описание върши работа, то безусловно е неудовлетворително от гледна точка на теорията.

В средата на 60-те е открита SU(3) симетрията на свойствата на адроните и става ясно, че принципните степени на свобода при „конструиране“ на адроните не са чак толкова много. Тези степени на свобода получават името кварки. Няколко години по-късно са проведени експерименти, с които се доказва, че кварките са не просто абстрактни степени на свобода на адрона, а са реални частици, които го изграждат и са носители на неговия импулс, електрически заряд, спин и и др. Единственият проблем се заключава в това как да се опише факта, че при никакви реакции кварките не могат да напуснат адрона (т.нар. confinement).

Все пак, дори и в отсъствие на теоретически обоснована динамична картина на взаимодействията между кварките, самият факт, че адроните са съставни частици, прави възможно обяснението на много от чисто емпиричните свойства на адроните.

Обяснение според квантовата хромодинамика[редактиране | edit source]

През 70-те години е създадена микроскопична теория за силното взаимодействие, наречена квантова хромодинамика (КХД). В нея се постулира, че адроните са съставени от кварки. Протонът например, е съставен от два горни и един долен кварк, което привидно нарушава принципа на Паули, според който два фермиона не могат да се намират в едно квантово състояние (т.е. да имат еднакви квантови числа). От това следва, че трябва да се въведе ново свойство на кварките, което да притежава 6 проявления — цветния заряд. [2]

Цветът на кварките обаче няма общо със зрителните ни възприятия за цвят[3]. Цветният заряд бива „син“, „червен“ и „зелен“, като за всеки цветен заряд съществуват и противоположните им - „антисин“, „антизелен“ и „античервен“[1]. При свързването на три разноцветни кварка се получава бял барион[1].

Кварките си взаимодействат посредством обмен на глуони, които пренасят цветния заряд[2]. Силата на взаимодействието е пропорционална на произведението на зарядите, като едноименните заряди се отблъскват, а разноименните се привличат. Когато изпусне глуон, кваркът променя цвета си. Например, ако син кварк абсорбира глуон, в резултат на което се превърне в червен кварк, казваме, че цветът на глуона е „червен минус син“[4] (ч-с). Изчерпвайки всички възможни преходи между кварките с промяна на цвета се получават 6 глуона от този тип: ч-з, з-с, с-ч, з-ч, с-з, ч-с.

Освен това съществуват кваркови преходи без промяна на цвета – червен в червен, зелен в зелен и син в син. Те се осъществяват от два цветнонеутрални глуона. Антикварките имат антицветни заряди, които се отличават от зарядите на съответните кварки само по своя знак.

Интересно свойство на кварките е т.нар. асимптотична свобода - кварките са по-близко, силата на цветното взаимодействие е по-малка. Когато кварките се отдалечават, те взаимодействат по-силно, поради което кварките не могат да напуснат ядрото, което съставят[1]. Нобеловата награда по физика за 2004 е присъдена на Франк Уилчек, Дейвид Грос и Дейвид Полицер именно за откриването на асимптотичната свобода на кварките.

Квантовата хромодинамика обяснява огромен брой закономерности във физиката на силното взаимодействие – т.н. стандартен модел. Единственият липсващ елемент в стандартния модел е бозона на Хигс. Хипотезата за нейното съществуване се потвърди през 2012 г., след експерименти на Големия адронен ускорител в ЦЕРН, Женева[5].

Съвременно състояние на теорията[редактиране | edit source]

Днес квантовата хромодинамика е общоприетата теория на силното взаимодействие. Първо, в онези области, където предсказаните от нея числени стойности са надеждни, те добре се съгласуват с експеримента. Второ, в нея стотиците „елементарни“ тухлички на материята (адроните) с объркани „правила на играта“ се заменят от 6 кварка с единствено допълнително квантово число. Всички свойства на унитарната симетрия на адроните, всички правила на „адронната химия“ следват автоматически от взаимодействията между кварките. Трето, тя е построена в съгласие с общите изисквания на квантовата теория на полето и в частност, е пренормируема. Тъй като силното взаимодействие в квантовата хромодинамика се опива на основата на калибровъчен подход, има надежда, че ще стане възможно обединението на силното взаимодействие с електрослабото взаимодействие.

Източници[редактиране | edit source]

  1. а б в г Нобеловата награда за физика през 2004 г. // сп. Физика. Посетен на 22.12.2007.
  2. а б Lena Hansen. The Color Force. // Duke University, Physics department website. Посетен на 22.12.2007.
  3. ((en)) R.P. Feynman. QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press, 1985. ISBN 0-691-08388-6. с. 136. Идиотите физици, неспособни вече да измислят чудесни гръцки думи, наричат този тип поляризация с неудачното име „цвят“, което обаче няма нищо общо с нормалния смисъл на думата (на английски: The idiot physicists, unable to come up with any wonderful Greek words anymore, call this type of polarization by the unfortunate name of 'color,' which has nothing to do with color in the normal sense).
  4. Франк Уилчек. QCD Made Simple. // The American Institute of Physics, 2000. Посетен на 22.12.2007.
  5. ((en)) Observation of a New Particle with a Mass of 125 GeV. // Посетен на 13 февруари 2013.
Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното Лиценз за свободна документация на ГНУ Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата „Сильное взаимодействие“ в Уикипедия на руски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година — от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница, за да видите списъка на съавторите.