§ 234. Частицы и взаимодействия

В настоящее время представляется,  что все разнообразие явлений, разыгрывающихся во Вселенной на всех ее уровнях,— микромир, жизнь, звезды, галактики — определяется игрой всего лишь четырех взаимодействий. Два из них были известны еще классической физике — это гравитация (всемирное тяготение) и электромагнитное взаимодействие. Два других взаимодействия — ядерное, или как его часто называют сильное, и так называемое слабое — являются короткодействующими и поэтому непосредственно не сказываются не только на движениях макроскопических тел, но и на свойствах атомов и молекул. Они проявляются лишь в ядерных явлениях и в превращениях элементарных частиц, О сильном взаимодействии уже говорилось в § 232. Слабое взаимодействие — это особое взаимодействие, выступающее во всех процессах, в которых участвуют нейтрино, например в захвате нейтрино ядрами, в -распаде, распаде -, -мезонов и мюонов.

Силу взаимодействия двух частиц можно охарактеризовать потенциальной энергией при их сближении за некоторое расстояние. Сравним между собой анергии сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий двух протонов на расстоянии , когда сильные взаимодействия проявляются практически уже в полной мере. В § 232 приводились соответствующие оценки для энергии электрического () и сильного () взаимодействий между этими частицами. Энергия их слабого взаимодействия составляет величину порядка . Для того чтобы рассчитать потенциальную энергию гравитационного взаимодействия между протонами, воспользуемся формулой (125.10) 1-го тома  ( — гравитационная постоянная;  тр= 1,67-10-" кг — масса протона.  — расстояние между протонами; протоны рассматриваются как материальные точки). Тогда

Эта энергия крайне мала, и существенных проявлений гравитации в явлениях микромира до настоящего времени не найдено.

Итак, энергии фундаментальных взаимодействий относятся примерно следующим образом: сильное: электромагнитное: слабое: гравитационное .

Важную роль в физике элементарных частиц играют представления о времени, характерном для того или иного явления. Установим прежде всего временной масштаб для процессов, обусловленных сильными взаимодействиями. Для оценки этого масштаба рассмотрим ядерные столкновения быстрых частиц (имеющих скорость, сравнимую со скоростью света ). Так как радиус действия ядерных сил , то время такого сильного взаимодействия будет характеризоваться величиной . Это означает также, что если распады частиц обусловлены сильными взаимодействиями, то соответствующие времена жизни будут составлять именно такую очень малую величину (короткоживущие частицы). Если «сильные распады» по каким-либо причинам происходить не могут и частица распадается под действием электромагнитных сил, то ее время жизни будет лежать в пределах . Для «слабых распадов» соответствующие времена имеют масштаб . Поэтому частицы, распадающиеся только благодаря слабым взаимодействиям в мире элементарных частиц рассматриваются как долгожители.

Из четырех известных взаимодействий — гравитационного, слабого, электромагнитного и сильного — универсальным является только гравитационное — всемирному тяготению подвержены все частицы без исключений.

Частицы разбиваются на классы по характеру взаимодействии, в которых они участвуют.

В первый класс отнесена только одна частица — фотон. Фотон взаимодействует (испускается, поглощается) с электрическими зарядами, т. е. обладает электромагнитным взаимодействием. Сильное и слабое взаимодействия фотону не свойственны.

Ко второму классу отнесены так называемые лептоны — электрон, мюон, нейтрино и их античастицы. Объединяет лептоны то, что все они обладают слабым, но не обладают сильным взаимодействием. Заряженные лептоны (электрон, мюон) подвержены, разумеется, и электромагнитному взаимодействием. Заряженные лептоны (электрон, мюон) подвержены. Разумеется, и электромагнитному взаимодействию.

Третий, самый обширный класс образуют так называемые адроны — сильно взаимодействующие частицы. Адронам свойственны все четыре известных взаимодействия.

Первую подгруппу адронов образуют мезоны — сильно взаимодействующие частицы, не обладающие барионным зарядом. Как отмечалось, их следует рассматривать как кванты  ядерного поля (поля  сильного взаимодействия).

Вторую подгруппу составляют барионы — частицы, обладающие барионным зарядом (см. § 233).

Самые легкие барионы — нуклоны (нейтрон и протон) — устойчивы (нейтрон устойчив в ядрах) и вместе с электроном служат кирпичиками вещества. В конечном счете это обусловлено законом сохранения барионного заряда, который позволяет бариону исчезнуть только в паре с антибарионом. Сохранение барионного заряда делает невозможным, например, разрушение атомов путем аннигиляции протона с электроном (превращения в -кванты или мезоны). Так как в нашем мире антибарионов практически нет, нуклоны исчезать не могут. В этом отношении они сильно отличаются от фотонов и мезонов, которые в конечном счете исчезают (поглощаются или распадаются), передавая свою энергию (а заряженные мезоны — и электрический заряд) лептонам или нуклонам. В последние годы были открыты сотни более тяжелых и менее устойчивых мезонов и барионов. Были найдены закономерности в их характеристиках — массах, способах образования и распада и т. п. Однако последовательной теории, которая описывала бы свойства адронов так же успешно, как квантовая теория описывает атомы и молекулы, еще нет. Нет также и ответа на более фундаментальный вопрос — почему существуют именно такие элементарные частицы (электрон, протон, фотон, нейтрино и т.д.) с такими свойствами.