Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие — самое сильное из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. В сильном взаимодействии участвуют адроны.

Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз, его радиус действия около 10^-13см. Частный случай сильного взаимодействия — ядерные силы. Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика.

Пион-нуклонное взаимодействие

Необходимость введения сильных взаимодействий возникла в 1930-х годах, когда стало ясно, что ни гравитационное, ни электромагнитное взаимодействия не могли ответить на вопрос, что связывает нуклоны в ядрах. В 1935 году японский физик Хидэки Юкава (первый японец, получивший Нобелевскую премию) построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена новыми частицами, которые сейчас известны как пи-мезоны (или пионы). Пионы были впоследствии открыты экспериментально в 1947 году.

В этой пион-нуклонной теории притяжение или отталкивание двух нуклонов описывалось как испускание пиона одним нуклоном и последующее его поглощение другим нуклоном (по аналогии с электромагнитным взаимодействием, которое описывается как обмен виртуальным фотоном). Эта теория успешно описала целый круг явлений в нуклон-нуклонных столкновениях и связанных состояниях, а также в столкновениях пионов с нуклонами. Численный коэффициент, определяющий «эффективность» испускания пиона, оказался очень большим (по сравнению с аналогичным коэффициентом для электромагнитного взаимодействия), что и определяет «силу» сильного взаимодействия.

Феноменология сильных взаимодействий адронов

В 1950-е годы было открыто огромное число новых элементарных частиц, большинство из которых обладали очень малым временем жизни. Все эти частицы были сильно взаимодействующими: сечения их рассеяния друг на друге были порядка сечений взаимодействия нуклонов и пионов, и заметно превышали сечения взаимодействия с электронами.

Среди этих адронов были как мезоны, так и барионы. Они обладали различными спинами и зарядами; в их распределении по массам и в предпочитаемых каналах распада проглядывалась некоторая регулярность, однако откуда она бралась — не было известно.

По аналогии с пион-нуклонным рассеянием была построена модель сильных взаимодействий этих адронов, в которой каждому типу взаимодействия, каждому типу распада соответствовала некоторая своя константа взаимодействия. Кроме того, некоторые из наблюдаемых зависимостей не удавалось объяснить, и они просто постулировались в виде «правил игры», которым подчиняются адроны (правило Цвейга, сохранение изоспина и G-чётности, и т. д.). Несмотря на то, что в целом это описание работало, оно, безусловно, было неудовлетворительно с точки зрения теории: слишком многое приходилось постулировать, большое число свободных параметров вводилось совершенно произвольно и безо всякой структуры.

В середине 1960-х годов была обнаружена SU(3) симметрия свойств адронов, и было понято, что принципиальных степеней свободы при «конструировании» адронов вовсе не так много. Эти степени свободы получили название кварков. Эксперименты, проведённые спустя несколько лет, продемонстрировали, что кварки — не просто абстрактные степени свободы адрона, а реальные частицы-составляющие адрон, которые несут его импульс, заряд, спин и т. д. Единственная проблема заключалась в том, как описать тот факт, что кварки не могут вылететь из адронов ни в каких реакциях.

Тем не менее, даже в отсутствие теоретически обоснованной динамической картины взаимодействия кварков, уже тот факт, что адроны составные частицы, позволил объяснить многие из чисто эмпирических свойств адронов.

Сильные взаимодействия в КХД

В 1970-х годах была построена микроскопическая теория сильного взаимодействия кварков, которая получила название квантовая хромодинамика (КХД). Она строится следующим образом.

Постулируется, что каждый кварк обладает новым внутренним квантовым числом, условно называемым цветом. Более точно, в дополнение к уже имеющимся степеням свободы, кварку приписывается и определённый вектор состояния в комплексном трёхмерном цветовом пространстве. В духе калибровочного подхода, накладывается требование инвариантности наблюдаемых свойств нашего мира относительно унитарных вращений в цветовом пространстве кварков, т. е. относительно элементов группы SU(3). (Таким образом, КХД является теорией Янга — Миллса.) Возникающее при этом калибровочное поле и описывает взаимодействие кварков. Это поле удаётся проквантовать; его кванты называются глюонами.

Поскольку каждый тип глюонов задаёт определённый вид вращения в цветовом пространстве, количество независимых глюонных полей равно размерности группы SU(3), т. е. восьми. Однако все глюоны взаимодействуют со всеми кварками с одинаковой силой. По аналогии с электродинамикой, где «мощность» взаимодействия характеризуется постоянной тонкой структуры ?, «мощность» сильного взаимодействия характеризуется единственной константой сильного взаимодействия ?s.

Напомним, что глюоны взаимодействуют с цветом. Из-за того, что группа SU(3) неабелева, глюоны тоже обладают цветом, а значит, могут взаимодействовать и друг с другом: в теории появляются трёхглюонные и четырёхглюонные вершины. В этом принципиальное отличие свойств КХД от КЭД, где фотон не был заряженным, поэтому сам с собой не взаимодействовал. Заметим, что из кварков и антикварков можно составить комбинации, которые обладают «нулевым» цветом, т. е. бесцветные. В длинноволновом пределе такие состояния с глюонами не взаимодействуют.

Следующим важнейшим свойством квантовой хромодинамики является антиэкранировка заряда. Групповые свойства SU(3) приводят к тому, что константа связи сильного взаимодействия ?s уменьшается с уменьшением расстояния между кварками и растёт при удалении кварков друг от друга.

Первая из этих зависимостей приводит к асимптотической свободе: кварки, пролетающие на очень малых расстояниях друг от друга, можно в первом приближении считать невзаимодействующими.

Обратная сторона медали: конфайнмент (пленение) кварков. Это значит, что кварки не могут удалиться друг от друга на расстояние, заметно превышающее некоторый радиус конфайнмента (порядка 1 фм). Однако два бесцветных состояния могут удалиться друг от друга на произвольное расстояние, поскольку глюонные поля их не удерживают. В результате получается, что в реальном мире наблюдаются не свободные кварки, а их бесцветные комбинации, которые и отождествляются с адронами.

Будучи удалёнными на расстояние, превышающее радиус конфайнмента, адроны всё же могут взаимодействовать, однако уже не за счёт обмена глюонами, а за счёт обмена другими адронами. В частности, при низких энергиях наиболее сильным оказывается взаимодействие через обмен пи-мезонами. Такое взаимодействие (которое, кстати, и удерживает нуклоны в ядрах), тоже по традиции называется сильным. Однако надо понимать, что это «остаточное» сильное взаимодействие, аналогичное ван-дер-ваальсовому взаимодействию нейтральных атомов.

Сильные взаимодействия в высокоэнергетических реакциях

Имеется целый ряд высокоэнергетических процессов столкновения адронов, в которых отсутствует жёсткий масштаб, из-за чего вычисления по теории возмущений в рамках квантовой хромодинамики перестают быть надёжными. Среди таких реакций — полные сечения столкновения адронов, упругое рассеяние адронов на небольшие углы, дифракционные процессы. С точки зрения кинематики, в таких реакциях достаточно большой является только полная энергия сталкивающихся частиц в их системе покоя, но не переданный импульс.

Начиная с 1960-х годов, основные свойства таких реакций успешно описываются феноменологическим подходом, основанным на теории Редже. В рамках этой теории, высокоэнергетическое рассеяние адронов происходит за счёт обмена некоторыми составными объектами — реджеонами. Наиболее важным реджеоном в этой теории является померон — единственный реджеон, вклад которого в сечение рассеяния не уменьшается с энергией.

В 1970-х годах оказалось, что многие свойства реджеонов можно вывести и из квантовой хромодинамики. Соответствующий подход в КХД называется подходом Балицкого — Фадина — Кураева — Липатова (БФКЛ).

См. дополнительную информацию о сильном взаимодействии.

Из комментария Людмилы Белик:

Что такое на самом деле самое сильное взаимодействие на свете — наисильнейшее ?

Таинственное ядерное , сложнейше магнитное — со светом внешним «КРУЧУ» !- в таком великом многообразии недокручивания и перекручивания , что удивительно смотреть на мощь механики.

«Чуть ВЫКРУЧИВАЮ !»- лишая неких СВОЙСТВ МЕХАНИКИ с динамизмом на ….. градусов и т.п. Есть и откручимвание и есть отмагничиваю навсегда. СВЫШЕ всегда ЕСТЬ и не изучать его лишь потому , что объявили себя физики атеистами было глупо БЕЗ доказательств ! Физика наука жутких постоянных проверок , а не убеждений.

Отсутствие ТВОРЦА в зоне над мировым океаном нужно было ДОКАЗЫВАТЬ с двух сторон «БОГА — нет !» и «БОГ — есть !» и посмотреть что получилось

Великий ЗАВИТОК центровки энергопостроения всего и ВСЕЯ тоже — вот что такое сильнейше взаимодействие.

Гений-физик государства высказал гипотезу , что ЕСТЬ некое управление свыше в виде КРУЧЕНИЯ и власть придержащие в Академии ухватились за идею и на своём уровне научного развития попытались доказать Великое «КРУЧУ» , возглавив
исследования.

Сколько лет они , слабаки в теориях ОСНОВ , пытались доказать НЕ ДОКАЗУЕМОЕ в наземных и в подземных условиях (!) и в итоге не нашли ничего лучшего , чем УТВЕРДИТЬ «Кручение — ЛЖЕНАУКА !»
Власть , полученная академиками от Б. Ельцина сыграла с ними очень злую шутку — КРУЧЕНИЕ как было , так и осталось

УПРАВЛЕНИЕМ всем и ВСЕЯ.
Загубили науку России обязательной для ученых Стандартной Модели 4-х видов взаимодействий частиц.

И вот сейчас читаю в лекциях ACADEMIA на ТВ об озабоченности ученых открытием процессов и частиц «вне Стандартной Модели».

Лукавит о врет ACADEMIA снова , мол есть эта отсутствующая в природе модель , но есть и нечто вне неё.

НЕТ в мирах и в Мирозданиях убогой стандартизации от горе-академиков РАН — ВСЁ энерговыстроено во сто крат сложне и могучей.
«Сильное взаимодействие — это самое сильное из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц» — ложь. Оно ничтожно по сравнению с описанным мною выше. И название «фундаментальные взаимодействия» сродни былому «СЛАВА КПСС !». НЕТ фундаментализма в науке от Ю. Осипова — не понимающего сами ОСНОВЫ — «ВСЁ выстроено точно по расчету и на столько , сколько ДАНО».

Он даже не понял самое важное на свете — 5-тое взаимодействие частиц «ЗВУК ИЗДАЮ !» и отменил его в приказном порядке.

И осталась официальная наука без знаний самых важных.