Элементарные частицы и типы взаимодействий

Согласно современным представлениям, в природе существует четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное или ядерное взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитное взаимодействие. В его основе лежит связь с электромагнитным полем. Характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтрона, антинейтрона и фотона. Ответственно за существование атомов и молекул и обусловливает взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Слабое взаимодействие. Наиболее медленное из всех, протекающих в микромире. Ответственно за взаимодействие частиц с участием нейтрона и антинейтрона (например, b - распад, m - распад), а также за безнейтронные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (t ³10^-10с).

Гравитационное взаимодействие. Присуще всем без исключения частицам. Однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно.

Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в 10¹⁴ раз - слабое. Чем сильнее взаимодействие, тем с меньшей интенсивностью протекают процессы. Так, время жизни частиц, называемых резонансами, распад которых описывается сильным взаимодействием, составляет примерно 10^-23с; время жизни p⁰- мезона, за распад которого ответственно электромагнитное взаимодействие, составляет 10^-16с; для распадов, за которые ответственно слабое взаимодействие, характерны времена жизни 10^-10 - 10^-8с. Как сильное, так и слабое взаимодействия - короткодействующие. Радиус действия сильного взаимодействия составляет примерно 10^-15м, слабого - не превышает 10^-19м. Радиус действия электромагнитного взаимодействия практически не ограничен.

Элементарные частицы принято делить на три группы:

1) Фотоны. Состоит всего лишь из одной частицы - фотона - кванта электромагнитного излучения;

2) Лептоны. Участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействии. К ним относятся электронное и мюонное нейтрино, мюон и открытый в 1975г. тяжелый лептон - t- лептон, или таон, с массой примерно 3487 m_е, а также соответствующие им античастицы. Название лептонов связано с тем, что массы первых известных лептонов были меньше масс всех других частиц;

3) Адроны. Обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым. К ним относятся протон, нейтрон, пионы и каоны.

Для всех типов взаимодействия элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.

Характерным признаком сильных взаимодействий является зарядовая независимость ядерных сил. Поэтому если бы в ядре осуществлялось сильное взаимодействие, то зарядовая независимость ядерных сил привела бы к одинаковым значениям масс нуклонов (протонов и нейтронов) и всех p - мезонов. Различие в массах нуклонов и соответственно p - мезонов обусловлено электромагнитным взаимодействием: энергии взаимодействующих заряженных и нейтральных частиц различны, поэтому и массы заряженных частиц и нейтральных частиц оказываются неодинаковыми.