2.4.4 Бозоны и фермионы. Виды взаимодействий фундаментальных частиц

Элементарные частицы — микрообъекты субъядерного масштаба, которые невозможно расщепить на составные части. Некоторые элементарные частицы (например, электрон, фотон, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы — протон, нейтрон и т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но тем не менее по современным представлениям разделить их на части невозможно. В настоящее время открыто более 350 элементарных частиц.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса покоя, заряд, среднее время жизни, спин, квантовые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, — фотоны.

Электрический заряд. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным или нулевым зарядом. В 1967 г. М. Гелл-Ман высказал гипотезу о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно они играют важнейшую роль в структуре макротел. Нестабильные элементарные частицы со средним временем жизни 10^-23–10^-22 с называются резонансными. Они распадаются до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро.

Элементарные частицы описываются и другими понятиями, не имеющими аналогов в классической физике.

Фундаментальная частица — бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. Фундаментальные частицы делят на две категории:

1) фермионы;

2) бозоны.

Фермионы — это частицы, из которых состоит все вещество. К фермионам относятся:

– 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон и три сорта нейтрино) и их античастицы;

– 6 кварков (u, d, s, c, b, t) и их античастицы.

Кварки — частицы с дробным зарядом, входящие в состав тяжелых элементарных частиц адронов. Например, протон относится к адронам и состоит из трех кварков. В свободном состоянии кварки не наблюдались.

Бозоны — частицы — переносчики фундаментальных взаимодействий. Их называют квантами полей. К бозонам относятся:

 фотоны — частицы, переносящие электромагнитное взаимодей­ствие;

 глюоны — частицы, переносящие сильное взаимодействие;

 векторные бозоны — частицы, переносящие слабое взаимодей­ствие;

 гравитоны — гипотетические частицы, переносящие гравитационное взаимодействие.

Виды взаимодействий фундаментальных частиц

Согласно современным представлениям, в природе осуществляются четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационное взаимодействие. Это универсальное взаимодей­ствие, проявляющееся на любых расстояниях. При гравитационном взаимодействии возможно только притяжение, зависящее от массы частиц и расстояния между ними. На уровне микромира гравитационное взаимодействие практически не проявляется, однако оно становится заметным на макроуровне, а на мегауровне становится преобладающим. Движение небесных тел, а также элементарных частиц в космических гравитационных полях с большими скоростями практически полностью определяется гравитационным взаимодействием. Гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие, — гравитон. Существование гравитонов пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, но считается вполне вероятным.

Электромагнитное взаимодействие. В электромагнитном взаимодействии могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а также фотоны. Оно универсально и проявляется на любых расстояниях. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает существование атомов и молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно и отрицательно заряженных частиц. С этим видом взаимодействий связаны все химические процессы, а также все молекулярные явления — поверхностное натяжение, капиллярность, адсорбция, текучесть. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны.

Сильное (или ядерное) взаимодействие — это наиболее интенсивное из всех видов взаимодействий. Оно обеспечивает устойчивость атомных ядер, отвечая за притяжение между нуклонами в ядрах и между кварками в адронах. Характеризуется радиусом действия в масштабе атомного ядра (около 10^-15 м), поэтому его называют короткодействующим. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны.

Слабое взаимодействие — проявляется в процессах распада нестабильных атомных ядер. Оно является очень коротко действующим и проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус действия этих сил 10^-18 м). Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны. Это взаимодействие позво­ляет лептонам, кваркам и их античастицам превращаться друг в друга. За счет слабого взаимодействия возможны термоядерные реакции образования атомных ядер в недрах звезд, т. е. благодаря этому взаимодействию светит Солнце, происходит эволюция звезд.

Если сравнить безразмерные константы взаимодействия, характеризующие силу взаимодействия, то можно сделать вывод, что самым существенным является сильное взаимодействие, а затем идут электромагнитное, слабое и гравитационное.

Таблица 2 — Характеристики фундаментальных взаимодействий

Вид взаимодействия	Относительная энергия взаимодействия	Радиус действия	Переносчики взаимодействия
Сильное	1	10-15 м	Глюоны
Электромагнитное	10-2	∞	Фотоны
Слабое	10-5	10-18 м	Бозоны
Гравитационное	10-39	∞	Гравитоны