Связывание кварков и сильное взаимодействие в ядерной физике.
Strong interaction
Сильное взаимодействие в физике: удержание кварков в адронах, формирование ядер атомов. Основная причина массы протонов и нейтронов. Мощнее других сил!
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Связывание кварков в субатомных частицах
Binding of quarks in subatomic particles
В ядерной физике и физике частиц сильное взаимодействие, также называемое сильной силой или сильным ядерным взаимодействием, является фундаментальным взаимодействием, которое удерживает кварки внутри протонов, нейтронов и других адронных частиц. Сильное взаимодействие также связывает нейтроны и протоны, формируя атомные ядра, где оно называется ядерной силой. Большая часть массы протона или нейтрона обусловлена энергией сильного взаимодействия; сами кварки составляют лишь около 1% массы протона. На расстоянии порядка 10−15 м (1 фемтометр, немного больше радиуса нуклона) сильная сила примерно в 100 раз превосходит электромагнитное взаимодействие, в 10⁶ раз – слабое взаимодействие и в 10³⁸ раз – гравитацию. В контексте атомных ядер эта сила удерживает протоны и нейтроны вместе, образуя ядро, и называется ядерной силой (или остаточным сильным взаимодействием).
In nuclear physics and particle physics, the strong interaction, also called the strong force or strong nuclear force, is a fundamental interaction that confines quarks into protons, neutrons, and other hadron particles. The strong interaction also binds neutrons and protons to create atomic nuclei, where it is called the nuclear force. Most of the mass of a proton or neutron is the result of the strong interaction energy; the individual quarks provide only about 1% of the mass of a proton. At the range of 10−15 m (1 femtometer, slightly more than the radius of a nucleon), the strong force is approximately 100 times as strong as electromagnetism, 106 times as strong as the weak interaction, and 1038 times as strong as gravitation. In the context of atomic nuclei, the force binds protons and neutrons together to form a nucleus and is called the nuclear force (or residual strong force).
История
До 1971 года физики не были уверены, как удерживается атомное ядро. Было известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов, при этом протоны обладают положительным электрическим зарядом, а нейтроны – нейтральны. Согласно физическим представлениям того времени, одноименные заряды должны отталкиваться, и положительно заряженные протоны должны были бы разорвать ядро на части. Однако этого никогда не наблюдалось. Для объяснения этого явления требовалась новая физика. Была постулирована более сильная сила притяжения, чтобы объяснить, как атомное ядро удерживается вместе, несмотря на электромагнитное отталкивание протонов. Эта гипотетическая сила получила название сильное взаимодействие, и считалось, что это фундаментальная сила, действующая на протоны и нейтроны, составляющие ядро. В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и независимо от него Джордж Цвайг предположили, что барионы, включающие протоны и нейтроны, и мезоны состоят из элементарных частиц. Цвайг назвал эти частицы "асами", а Гелл-Манн – "кварками"; эта теория получила название кварковой модели. Сильное притяжение между нуклонами оказалось побочным эффектом более фундаментальной силы, которая связывает кварки в протоны и нейтроны. Теория квантовой хромодинамики объясняет, что кварки несут так называемый цветовой заряд, который не имеет отношения к видимому цвету. Кварки с различными цветовыми зарядами притягиваются друг к другу в результате сильного взаимодействия, а частица, переносящая это взаимодействие, называется глюоном.
Before 1971, physicists were uncertain as to how the atomic nucleus was bound together. It was known that the nucleus was composed of protons and neutrons and that protons possessed positive electric charge, while neutrons were electrically neutral. By the understanding of physics at that time, positive charges would repel one another and the positively charged protons should cause the nucleus to fly apart. However, this was never observed. New physics was needed to explain this phenomenon. A stronger attractive force was postulated to explain how the atomic nucleus was bound despite the protons' mutual electromagnetic repulsion. This hypothesized force was called the strong force, which was believed to be a fundamental force that acted on the protons and neutrons that make up the nucleus. In 1964, Murray Gell Mann, and separately George Zweig, proposed that baryons, which include protons and neutrons, and mesons were composed of elementary particles. Zweig called the elementary particles "aces" while Gell Mann called them "quarks"; the theory came to be called the quark model. The strong attraction between nucleons was the side effect of a more fundamental force that bound the quarks together into protons and neutrons. The theory of quantum chromodynamics explains that quarks carry what is called a color charge, although it has no relation to visible color. Quarks with unlike color charge attract one another as a result of the strong interaction, and the particle that mediates this was called the gluon.
Поведение сильного взаимодействия
Сильное взаимодействие проявляется на двух масштабах расстояний и переносится различными частицами-переносчиками силы в каждом из них. На масштабе менее примерно 0,8 фм (примерно радиус нуклона) сила переносится глюонами и удерживает кварки вместе, формируя протоны, нейтроны и другие адроны. На большем масштабе, до примерно 3 фм, сила переносится мезонами и связывает нуклоны (протоны и нейтроны) вместе, образуя ядро атома. В первом случае оно часто называется цветовым взаимодействием и настолько сильно, что при столкновении адронов с высокоэнергетическими частицами образуются струи массивных частиц, а не их составляющие (кварки и глюоны) в виде свободно движущихся частиц. Это свойство сильной силы называется конфайнментом (удержанием цвета). + Два уровня сильного взаимодействия Диапазон удерживается переносчиком результат Сильное < 0,8 кварк глюон адрон Остаточное сильное 1 адрон мезон ядро
The strong interaction is observable at two ranges, and mediated by different force carriers in each one. On a scale less than about 0.8 fm (roughly the radius of a nucleon), the force is carried by gluons and holds quarks together to form protons, neutrons, and other hadrons. On a larger scale, up to about 3 fm, the force is carried by mesons and binds nucleons (protons and neutrons) together to form the nucleus of an atom. In the former context, it is often known as the color force, and is so strong that if hadrons are struck by high energy particles, they produce jets of massive particles instead of emitting their constituents (quarks and gluons) as freely moving particles. This property of the strong force is called color confinement. + Two layers of strong interaction Interaction range held carrier result Strong < 0.8 quark gluon hadron Residual Strong 1 hadron meson nucleus
Внутри адронов
Слово "сильный" используется, поскольку сильное взаимодействие является "самым сильным" из четырех фундаментальных сил. На расстоянии 10−15 м его сила примерно в 100 раз больше, чем у электромагнитной силы, примерно в 10⁶ раз больше, чем у слабой силы, и примерно в 10³⁸ раз больше, чем у гравитации. Сильная сила описывается квантовой хромодинамикой (КХД), частью Стандартной модели физики частиц. Математически КХД является неабелевой калибровочной теорией, основанной на локальной (калибровочной) группе симметрии, называемой SU(3). Частица-переносчик силы сильного взаимодействия – глюон, безмассовый калибровочный бозон. Считается, что глюоны взаимодействуют с кварками и другими глюонами посредством типа заряда, называемого цветовым зарядом. Цветной заряд аналогичен электромагнитному заряду, но он существует в трех типах (±красный, ±зеленый и ±синий), а не в одном, что приводит к иным правилам поведения. Эти правила описываются квантовой хромодинамикой (КХД), теорией взаимодействия кварков и глюонов. В отличие от фотона в электромагнетизме, который нейтрален, глюон несет цветовой заряд. Кварки и глюоны – единственные фундаментальные частицы, которые несут ненулевой цветовой заряд и, следовательно, участвуют в сильных взаимодействиях только друг с другом. Сильная сила является проявлением взаимодействия глюона с другими кварками и глюонами. Все кварки и глюоны в КХД взаимодействуют друг с другом посредством сильной силы. Интенсивность взаимодействия параметризуется сильной константой связи. Эта интенсивность изменяется под воздействием цветового заряда частицы, являющегося группово-теоретическим свойством. Сильная сила действует между кварками. В отличие от всех других сил (электромагнитной, слабой и гравитационной), сильная сила не ослабевает с увеличением расстояния между парами кварков. После достижения предельного расстояния (примерно размера адрона) она сохраняет интенсивность около 10000, независимо от дальнейшего увеличения расстояния между кварками.
The word strong is used since the strong interaction is the "strongest" of the four fundamental forces. At a distance of 10−15 m, its strength is around 100 times that of the electromagnetic force, some 106 times as great as that of the weak force, and about 1038 times that of gravitation. The strong force is described by quantum chromodynamics (QCD), a part of the Standard Model of particle physics. Mathematically, QCD is a non abelian gauge theory based on a local (gauge) symmetry group called SU(3). The force carrier particle of the strong interaction is the gluon, a massless gauge boson. Gluons are thought to interact with quarks and other gluons by way of a type of charge called color charge. Color charge is analogous to electromagnetic charge, but it comes in three types (±red, ±green, and ±blue) rather than one, which results in different rules of behavior. These rules are described by quantum chromodynamics (QCD), the theory of quark–gluon interactions. Unlike the photon in electromagnetism, which is neutral, the gluon carries a color charge. Quarks and gluons are the only fundamental particles that carry non vanishing color charge, and hence they participate in strong interactions only with each other. The strong force is the expression of the gluon interaction with other quark and gluon particles. All quarks and gluons in QCD interact with each other through the strong force. The strength of interaction is parameterized by the strong coupling constant. This strength is modified by the gauge color charge of the particle, a group theoretical property. The strong force acts between quarks. Unlike all other forces (electromagnetic, weak, and gravitational), the strong force does not diminish in strength with increasing distance between pairs of quarks. After a limiting distance (about the size of a hadron) has been reached, it remains at a strength of about 10000, no matter how much farther the distance between the quarks.
Между адронами
В то время как ограничение цвета подразумевает, что сильная сила действует без ослабления с расстоянием между парами кварков в компактных группах связанных кварков (адронов), на расстояниях, приближающихся или превышающих радиус протона, сохраняется остаточная сила (описанная ниже). Эта остаточная сила быстро убывает с расстоянием и, следовательно, имеет очень малый радиус действия (фактически несколько фемтометров). Она проявляется как сила между "бесцветными" адронами и известна как ядерная сила или остаточная сильная сила (и исторически как сильное ядерное взаимодействие). Ядерная сила действует между адронами, известными как мезоны и барионы. Эта "остаточная сильная сила", действуя опосредованно, передает глюоны, которые являются частью виртуальных π и ρ мезонов, которые, в свою очередь, передают силу между нуклонами, удерживая ядро (за исключением ядра водорода-1) вместе. Таким образом, остаточная сильная сила является незначительным остатком сильной силы, которая связывает кварки в протоны и нейтроны. Эта же сила значительно слабее между нейтронами и протонами, поскольку она в основном нейтрализуется внутри них, подобно тому, как электромагнитные силы между нейтральными атомами (силы Ван-дер-Ваальса) намного слабее, чем электромагнитные силы, удерживающие электроны в связи с ядром, формируя атомы. В отличие от сильной силы, остаточная сильная сила уменьшается с расстоянием и делает это быстро. Убывание приблизительно соответствует отрицательной экспоненте расстояния, хотя простого выражения для этого не существует; см. потенциал Юкавы. Быстрое убывание с расстоянием притягательной остаточной силы и менее быстрое убывание отталкивающей электромагнитной силы, действующей между протонами внутри ядра, вызывает нестабильность более крупных атомных ядер, таких как все с атомными номерами больше 82 (элемент свинец). Хотя ядерная сила слабее самого сильного взаимодействия, она все же обладает высокой энергией: переходы приводят к образованию гамма-лучей. Масса ядра существенно отличается от суммарной массы отдельных нуклонов. Этот дефект массы обусловлен потенциальной энергией, связанной с ядерной силой. Различия в дефектах массы приводят к ядерному синтезу и ядерному делению.
While color confinement implies that the strong force acts without distance diminishment between pairs of quarks in compact collections of bound quarks (hadrons), at distances approaching or greater than the radius of a proton, a residual force (described below) remains. This residual force does diminish rapidly with distance, and is thus very short range (effectively a few femtometres). It manifests as a force between the "colorless" hadrons, and is known as the nuclear force or residual strong force (and historically as the strong nuclear force). The nuclear force acts between hadrons, known as mesons and baryons. This "residual strong force", acting indirectly, transmits gluons that form part of the virtual π and ρ mesons, which, in turn, transmit the force between nucleons that holds the nucleus (beyond hydrogen 1 nucleus) together. The residual strong force is thus a minor residuum of the strong force that binds quarks together into protons and neutrons. This same force is much weaker between neutrons and protons, because it is mostly neutralized within them, in the same way that electromagnetic forces between neutral atoms (van der Waals forces) are much weaker than the electromagnetic forces that hold electrons in association with the nucleus, forming the atoms. Unlike the strong force, the residual strong force diminishes with distance, and does so rapidly. The decrease is approximately as a negative exponential power of distance, though there is no simple expression known for this; see Yukawa potential. The rapid decrease with distance of the attractive residual force and the less rapid decrease of the repulsive electromagnetic force acting between protons within a nucleus, causes the instability of larger atomic nuclei, such as all those with atomic numbers larger than 82 (the element lead). Although the nuclear force is weaker than the strong interaction itself, it is still highly energetic: transitions produce gamma rays. The mass of a nucleus is significantly different from the summed masses of the individual nucleons. This mass defect is due to the potential energy associated with the nuclear force. Differences between mass defects power nuclear fusion and nuclear fission.
Объединение
Так называемые Великие объединенные теории (GUT) стремятся описать сильное и электрослабое взаимодействия как проявления единой силы, подобно тому, как электромагнитное и слабое взаимодействия были объединены моделью Глашоу — Вайнберга — Салама в электрослабое взаимодействие. Сильное взаимодействие обладает свойством, называемым асимптотической свободой, при котором сила сильного взаимодействия ослабевает при увеличении энергии (или температуры). Теоретическая энергия, при которой его сила становится равной силе электрослабого взаимодействия, называется энергией великого объединения. Однако, ни одна Великая объединенная теория пока не была успешно разработана для описания этого процесса, и великое объединение остается нерешенной проблемой в физике. Если GUT верна, то после Большого взрыва и в электрослабую эпоху Вселенной электрослабое взаимодействие отделилось от сильного взаимодействия. Следовательно, предполагается существование эпохи великого объединения, предшествовавшей этому.
The so called Grand Unified Theories (GUT) aim to describe the strong interaction and the electroweak interaction as aspects of a single force, similarly to how the electromagnetic and weak interactions were unified by the Glashow–Weinberg–Salam model into electroweak interaction. The strong interaction has a property called asymptotic freedom, wherein the strength of the strong force diminishes at higher energies (or temperatures). The theorized energy where its strength becomes equal to the electroweak interaction is the grand unification energy. However, no Grand Unified Theory has yet been successfully formulated to describe this process, and Grand Unification remains an unsolved problem in physics. If GUT is correct, after the Big Bang and during the electroweak epoch of the universe, the electroweak force separated from the strong force. Accordingly, a grand unification epoch is hypothesized to have existed prior to this.