Взаимодействия

Начальные сведения об элементарных частицах

Классификация элементарных частиц

Взаимодействия

Известны четыре фундаментальных взаимодействия, в которых могут участвовать частицы:

- гравитационное (универсальное взаимодействие, но самое слабое, в котором участвуют все частицы без исключения; оно является дальнодействующим, т.е. медленно спадающим с расстоянием);

- электромагнитное (участвуют частицы, обладающие электрическим зарядом или магнитным моментом, и фотоны; является дальнодействующим);

- слабое (участвуют все частицы, кроме фотонов; быстро спадает с расстоянием, по последним данным является одной из сторон электромагнитного взаимодействия);

- адронное (участвуют только адроны; быстро спадает с расстоянием).

Все многообразие природных процессов сводится к этим четырем взаимодействиям. Каждое из взаимодействий характеризуется быстротой спада с ростом расстояния.

Потенциальная энергия гравитационного и электрического взаимодействия спадает с расстоянием по степенному закону - 1/r. Такой закон называют дальнодействующим.

Приближенная формула потенциальной энергии двух адронновзаимодействующих нуклонов имеет вид:
(1)
При каждом увеличении расстояния на rh числитель уменьшается в e раз. Этот факт и определяет большую скорость спадания U(r) с расстоянием. Множитель Q 2 называют константой взаимодействия. Он играет ту же роль, что и для электрического взаимодействия. Параметр rh называют радиусом адронного взаимодействия. Формулу (1) впервые получил Юкава в 1935 году. Он получил следующее выражение для радиуса адронного взаимодействия:
, (2)
где mp - инвариантная масса пиона.

Приближенная формула потенциальной энергии двух слабо взаимодействующих частиц имеет вид:
(3)
Множитель G2 - константа слабого взаимодействия. Радиус слабого взаимодействия rw на три порядка меньше радиуса адронного взаимодействия. Он равен
(4)
где mw - инвариантная масса промежуточного W-бозона. Она примерно в 90 раз больше массы протона.

Задача 1. Получите численные значения радиусов адронного и слабого взаимодействий.

Обменный механизм взаимодействия частиц, из которого следуют описывающие его формулы (1) и (3), является универсальными. Этот механизм применим не только к адронному и слабому взаимодействиям, но и к электромагнитному. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон. Поскольку инвариантная масса фотона равна нулю, постольку в соответствии с формулами (2) и (4) радиус электромагнитного взаимодействия оказывается равным бесконечности. А формула (1) превращается в
(5)
где Q2 - константа электромагнитного взаимодействия. Она равна

Константы взаимодействия имеют размерность [ Дж×м ]. Их значения зависят от выбора системы единиц. Чтобы иметь дело с величинами, не зависящими от выбора системы единиц, пользуются безразмерными константами взаимодействия:
, и . (6)
Они примерно равны 1, 10-2, 10-1. Эти числа определяют отношение энергий взаимодействий.

Задача 2. Получите численное значение безразмерной константы электромагнитного взаимодействия: .