12.7 Классы взаимодействий

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности их про­текания. В соответствии с этим взаимо­действия элементарных частиц можно феноменологиче­ски разделить на несколько классов: силь­ное, электромагнитное и слабое вза­имодействия. Все элементарные частицы обладают, кро­ме того, гравитационным взаимодейст­вием.

Сильное взаимодействие выделяется как взаимодействие, которое вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими процессами, интенсивностью. Оно приводит и к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильное взаимодействие обусловлива­ет связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную проч­ность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в зем­ных условиях.

Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Обусловленные им процессы менее интенсивны, чем процессы силь­ного взаимодействия, а порождаемая им связь элементарных частиц— заметно слабее. Электромагнитное взаимодействие, в частности, ответственно за связь атомных элек­тронов с ядрами и связь атомов в мо­лекулах.

Слабое взаимодействие, как пока­зывает само название, вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Иллюстрацией их малой интен­сивности может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабым взаимодействием, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца. Слабое взаимодействие обу­словливает также медленные распады так называемых «квазистабильных» элементарных частиц. Времена жизни большинства этих частиц ле­жат в диапазоне 10^-8—10^-10 сек, тогда как типичные времена для сильного взаимодействия элементарных частиц составляют 10^-23—10^-24 сек.

Гравитационное взаимодействие, хорошо известное по своим макроскопическим про­явлениям, в случае элементарных частиц на характер­ных расстояниях (10 ^-13 м) даёт чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц, но может быть су­щественно на расстояниях ~10^-33 м.

«Силу» различных классов взаимо­действий элементарных частиц можно приближённо охарактеризовать безразмерными па­раметрами, связанными с

квадратами соответствующих констант взаимо­действий. Для сильного, электромаг­нитного, слабого и гравитационного взаимо­действий протонов при средней энер­гии процесса ~1 ГэВ эти параметры со­относятся как 1 : 10^-2 : 10^-10 : 10^-38. Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабого взаимодействия безраз­мерный параметр зависит от энер­гии. Кроме того, сами интенсивности различных процессов по-разному за­висят от энергии. Это приводит к то­му, что относительная роль различных взаи­модействий, вообще говоря, меняется с ростом энергии взаимодействующих частиц, так что разделение взаимо­действий на классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слиш­ком высоких энергиях. Разные классы взаимодействий имеют, однако, и другую специфику, связанную с различными свойствами их симметрии, которая спо­собствует их разделению и при более высоких энергиях. Сохранится ли такое деление взаимодействий на классы в пределе самых больших энергий, пока остаётся неясным.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изу­ченные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны и лептоны. Адроны обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым, тогда как лептоны участвуют только в элек­тромагнитном и слабом взаимодейст­виях. (Наличие общего для той и дру­гой группы гравитационного взаимодействия подразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к массе протона, минимальную массу среди ад­ронов имеет -мезон: . Массы лептонов, известных до 1975— 1976 гг., были невелики ( ), однако новейшие данные свидетель­ствуют о существовании тяжёлых лептонов  с массами такими же, как у адронов. Первыми исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, лептонов — электрон. Фо­тон, обладающий только электромагнитным взаимодействием, не может быть отне­сён ни к адронам, ни к лептонам и должен быть выделен в отдельную группу. По развиваемым в 70-х гг. представ­лениям, фотон (частица с нулевой массой покоя) входит в одну группу с очень массивными частицами, так называемыми промежуточными вектор­ными б о з о н а м и W⁺, W^- , Z^o , ответствен­ными за слабое взаимодействие. W⁺ и W^- - бозоны могут участвовать также в электромагнитном взаимодействии. В 1983 году существование всех трёх типов бозонов было доказано экспериментально в опытах со встречными протон-антипротонными пучками.