Что такое сильная сила?

Сильное взаимодействие связывает кварки внутри нейтронов и протонов и удерживает атомные ядра вместе.

Протоны, состоящие из трех кварков, сталкиваются. Кварки удерживаются вместе мощным ядерным взаимодействием, переносимым глюонами. (Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)

• Стандартная модель
• Кварки и адроны
• Вкусы и цвета творога
• глюоны
• Остаточная сила
• Ограничения Стандартной модели
• Дополнительные ресурсы
• Библиография

Сильное взаимодействие или сильное ядерное взаимодействие является одним из четырех фундаментальных сил природы, наряду с сила тяжести, электромагнетизм и слабая сила. Как следует из названия, сильная сила – это сильнейший сила четырех.Он связывает фундаментальные частицы материи, известные как кварки, в более крупные частицы.

Сильное взаимодействие в Стандартной модели

Господствующей теорией физики элементарных частиц является Стандартная модель, которая описывает основные строительные блоки материи и то, как они взаимодействуют. Теория была разработана в начале 1970-х годов и со временем и благодаря множеству экспериментов утвердилась как хорошо проверенная физическая теория. ЦЕРН (opens in new tab) Европейская организация ядерных исследований.

Согласно Стандартной модели, одной из самых маленьких, наиболее фундаментальных элементарные частицы, или те, которые не могут быть разделены на более мелкие части, являются кварками. Эти частицы являются строительными блоками класса массивных частиц, известных как адроны, которые включают протоны и нейтроны. Ученые не видели никаких признаков того, что существует что-то меньше кварка, но они все еще ищут.

Сильное взаимодействие было впервые предложено для объяснения того, почему атомные ядра не разлетаются на части. Казалось, что они будут делать это за счет отталкивающей электромагнитной силы между положительно заряженными протонами, находящимися в ядре. Позже физики обнаружили, что сильное взаимодействие не только удерживает вместе ядра, но и ответственно за связывание кварков, составляющих адроны.

«Взаимодействия сильных сил важны для того, чтобы… удерживать адроны вместе», — говорится в «Четырех силах (opens in new tab)», материале курса физики Университета Дьюка. «Фундаментальное сильное взаимодействие удерживает вместе составляющие кварки адрона, а остаточная сила удерживает адроны вместе друг с другом, например, протон и нейтрон в ядре».

Кварки и адроны

Теория кварков возникла в 1964 году независимо друг от друга физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом, и физик впервые наблюдал частицы в Стэнфордской национальной лаборатории линейных ускорителей в 1968 году. Нобелевский фонд (opens in new tab) Гелл-Манн выбрал имя, которое, как говорят, произошло от стихотворения в романе «Поминки по Финнегану» Джеймса Джойса:

«Три кварка для Мастера Марка! Конечно, у него не так уж много коры, И, конечно, у него есть все, что не соответствует действительности.«

«Эксперименты на ускорителях частиц в 50-х и 60-х годах показали, что протоны и нейтроны являются просто представителями большого семейства частиц, которые сейчас называются адроны. до сих пор не обнаружено», согласно книге «Частицы и ядра: введение в физические концепции» (Springer, 2008).

Ученые подробно описали, как кварки составляют эти адронные частицы. «Существует два типа адронов: барионы и мезоны», — написала Лена Хансен в статье «The Color Force (opens in new tab)», опубликованной онлайн Университетом Дьюка. «Каждый барион состоит из трех кварков, а каждый мезон состоит из кварка и антикварка», где антикварк — это антивещество аналог кварка с противоположным электрическим зарядом. Барионы — это класс частиц, состоящий из протонов и нейтронов. Мезоны — короткоживущие частицы, образующиеся на больших ускорителях частиц и при взаимодействии с высокоэнергетическими космические лучи.

Вкусы и цвета творога

Кварки бывают шести разновидностей, которые физики называют «ароматами». В порядке возрастания массы они обозначаются как верх, низ, странность, очарование, низ и верх. Верхние и нижние кварки стабильны и составляют протоны и нейтроны. Ранее сообщалось, что Live Science. Например, протон состоит из двух верхних кварков и нижнего кварка и обозначается как (uud).

Другие, более массивные ароматы образуются только при высокоэнергетических взаимодействиях и чрезвычайно быстро распадаются. Обычно они наблюдаются в мезонах, которые могут содержать различные комбинации ароматов в виде пар кварк-антикварк.Последний из них, топ-кварк, был теоретизирован в 1973 году Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава, но его не наблюдали до 1995 года в ускорительном эксперименте в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб). Кобаяши и Маскава были награждены Нобелевская премия по физике 2008 г. (откроется в новой вкладке) за их прогноз.

У кварков есть еще одно свойство, также имеющее шесть проявлений. Это свойство было названо «цветом», но его не следует путать с общепринятым пониманием цвета. Шесть проявлений называются красным, синим, зеленым, антикрасным, антисиним и антизеленым. Соответственно антицветы принадлежат антикваркам. По словам Хансена, свойства цвета объясняют, как кварки могут подчиняться принципу запрета Паули, согласно которому никакие два идентичных объекта не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. То есть кварки, составляющие один и тот же адрон, должны иметь разные цвета. Таким образом, все три кварка в барионе имеют разный цвет, а мезон должен содержать цветной кварк и антикварк соответствующего антицвета.

Глюоны и сильное взаимодействие

Частицы вещества передают энергию, обмениваясь друг с другом переносящими силу частицами, известными как бозоны. Сильное взаимодействие переносится типом бозона, называемого «глюоном», названным так потому, что эти частицы действуют как «клей», который скрепляет ядро ​​и составляющие его барионы. В притяжении между двумя кварками происходит странная вещь: сильное взаимодействие не уменьшается с расстоянием между двумя частицами, как электромагнитное взаимодействие; на самом деле оно увеличивается, больше похоже на растяжение механической пружины.

Как и в случае с механической пружиной, существует предел расстояния, на котором два кварка могут быть отделены друг от друга, что примерно равно диаметру протона. Когда этот предел достигнут, огромная энергия, необходимая для достижения разделения, внезапно превращается в массу в виде пары кварк-антикварк. Это преобразование энергии в массу происходит в соответствии с Эйнштейнзнаменитое уравнение Е = МС2 — или, в данном случае, м = Э/с2 — где Е это энергия, м это масса, и с это скорость света. Поскольку это преобразование происходит каждый раз, когда мы пытаемся отделить кварки друг от друга, свободные кварки не наблюдались, и физики не верят, что они существуют как отдельные частицы. В своей книге «Калибровочные теории сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий: второе издание (открывается в новой вкладке)» (издательство Принстонского университета, 2013 г.) Крис Куигг из Фермилаб утверждает: «Окончательное наблюдение свободных кварков было бы революционным».

Остаточная сила

Когда три кварка связаны вместе в протоне или нейтроне, большая сила, создаваемая глюонами, в основном нейтрализуется, потому что почти вся она идет на связывание кварков вместе. В результате сила сосредоточена в основном внутри частицы. Однако крошечная часть силы действует вне протона или нейтрона. Эта часть силы может действовать между протоны и нейтроны, вместе известные как нуклоны.

Согласно Константиносу Г. Вайенасу и Стаматиосу Н.-А. Суэнти в своей книге «Гравитация, специальная теория относительности и сильное взаимодействие (открывается в новой вкладке)» (Springer, 2012) «стало очевидным, что взаимодействие между нуклонами является результатом или побочным эффектом более сильного и фундаментального взаимодействия. который связывает вместе кварки в протонах и нейтронах». Этот «побочный эффект» называется «остаточным сильным взаимодействием» или «ядерной силой», и это то, что удерживает атомные ядра вместе, несмотря на электромагнитную силу отталкивания между положительно заряженными протонами, которая раздвигает их.

Однако, в отличие от сильного взаимодействия, остаточное сильное взаимодействие быстро ослабевает на коротких расстояниях и имеет значение только между соседними частицами внутри ядра. Однако электромагнитная сила отталкивания спадает медленнее, поэтому она действует по всему ядру.Следовательно, в тяжелых ядрах, особенно с атомным номером больше 82 (свинец), в то время как ядерная сила, действующая на частицу, остается почти постоянной, общая электромагнитная сила, действующая на эту частицу, увеличивается с атомным номером до такой степени, что, в конце концов, она может толкнуть ядро отдельно. «Деление можно рассматривать как «перетягивание каната» между сильной ядерной силой притяжения и электростатической силой отталкивания», — говорится в «Азбуке ядерных наук» Национальной лаборатории Лоуренса-Беркли (opens in new tab). «В реакциях деления побеждает электростатическое отталкивание».

Энергия, высвобождаемая при разрыве остаточных силовых связей, принимает форму высокоскоростных частиц и гамма лучи, производя то, что мы называем радиоактивностью. Столкновения с частицами распада ближайших ядер могут ускорить этот процесс, вызывая цепную ядерную реакцию. Энергия деления тяжелых ядер, таких как уран-235 и плутоний-239, питает ядерные реакторы и атомные бомбы.

Ограничения Стандартной модели

В дополнение ко всем известным и предсказанным субатомным частицам Стандартная модель включает сильные и слабые взаимодействия и электромагнетизм и объясняет, как эти силы действуют на частицы материи. Однако в теорию не включены сила тяжести. Включение силы гравитации в рамки модели десятилетиями ставило ученых в тупик. Но, согласно ЦЕРН, в масштабе этих частиц влияние гравитации настолько незначительно, что модель работает хорошо, несмотря на исключение этой фундаментальной силы.

Дополнительные ресурсы

ЦЕРН создал богатый веб-сайт, описывающий все тонкости наших попыток понять сильное взаимодействие, которое вы можете увидеть здесь (откроется в новой вкладке). Вы также можете ознакомиться с интерактивными демонстрациями в Интернете или через приложение, предоставленное Приключение частиц (откроется в новой вкладке). Если вы настроены больше слушать, посмотрите этот выпуск подкаста (открывается в новой вкладке) копаться в сильной силе.

Библиография

Константинос, Г. и др. Гравитация, специальная теория относительности и сильное взаимодействие (Springer Science and Business Media, 2012 г.)

Куигг, С. Калибровочные теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий (Издательство Принстонского университета, 2013 г.)

Повх, Б. и соавт. Частицы и ядра: введение в физические понятия (Springer Science and Business Media, 2008 г.)