37. Элементарные частицы

37.1. Фундаментальные взаимодействия

В современной физике под элементарными частицами понимают большую группу мельчайших материальных частиц, в которую не входят такие сложные образования, как атомы и атомные ядра (за исключением протона). Элементарные частицы в точном значении этого слова означают первичные, далее неделимые частицы, из которых состоит материя. Однако, хотя во всех наблюдаемых до сих пор явлениях каждая из них ведёт себя как единое целое, большинство из них (в частности протон и нейтрон) являются составными системами.

Приведём различные структурные уровни строения материи, определяемые характерными масштабами, т.е. типичными размерами исследуемых объектов и расстояниями между ними.

Все процессы, в которых участвуют элементарные частицы (упругое рассеяние электронов на ядрах, протонах и других электронах, взаимопревращение частиц и их распад и т.д.), обусловлены взаимодействиями между ними.

В современной физике всё многообразие взаимодействий между частицами сводится к четырём фундаментальным видам: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и ответственно за протекание многих процессов с характерным временем  10^-24… 10^-23 с. Этот вид взаимодействия – короткодействующий – наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия R) составляет примерно 10^-15 м, поэтому оно играет существенную роль лишь в микромире.

Электромагнитное взаимодействие характеризует процессы, обусловленные наличием у ряда элементарных частиц электрического заряда. Характерные времена протекания электромагнитных процессов  10^-20 с. Это взаимодействие имеет бесконечный радиус (R=) и сравнительно большую интенсивность, благодаря чему активно проявляется на всех трёх масштабных уровнях: в мегамире, макромире и микромире. В частности, электромагнитное взаимодействие обуславливает силы между ядрами и электронами, и именно оно ответственно за существование атомов и молекул. К электромагнитному взаимодействию сводятся все обычные силы, кроме сил тяжести: силы упругости, трения, поверхностного натяжения и т.д. Им определяются агрегатные состояния вещества и химические превращения, магнитные и оптические явления.

Слабое взаимодействие присуще всем частицам, кроме фотонов. Оно ответственно за все виды –распада ядер, за многие типы превращений элементарных частиц. Слабое взаимодействие, как и сильное, короткодействующее (R10^-18 м), но со значительно большими характерными временами ( 10^-10 с).

Гравитационное взаимодействие свойственно всем телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения. Эти силы играют первостепенную роль в верхнем структурном уровне материи – мегамире, обуславливая существование звёзд, планетных систем, галактик и т.д. В физике элементарных частиц гравитационное взаимодействие не играет сколько-нибудь заметной роли на расстояниях R10^-18 м, доступных для исследований с помощью ускорителей заряженных частиц. Предполагается, что гравитационное взаимодействие становится существенным на расстояниях R10^-35 м

Интенсивность данного взаимодействия определяется значением некоторого безразмерного параметра (константы связи). Для сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействия протонов при энергии  10⁹ эВ эти параметры относятся как 1:10^-2:10^-10:10^-38.