Бозоните и фундаменталните взаимодействия

Бозоните

За да се завърши картината на строежа на материята е необходимо да опишем не само самите фундаментални частици, но и начините, с които те се задържат една около друга, с фундаменталните взаимодействия, които се оказа, че отново се осъществяват посредством частици, наречени бозони.

Бозоните са елементарни частици, атомни ядра и атоми с нулев или цял спин (0, 1, 2, ...). Бозоните, за разлика от фермионите не се подчиняват на принципа на Паули , а на статистиката на Бозе-Айнщайн, според която в квантова система в определено квантово състояние (състояние с определен набор от квантови числа) може да се намират произволен голям брой бозони от дадения тип. Примери за бозони са фотоните, всички мезони, ядра на хелий-4 (⁴He), атома на този изотоп на хелия.

Всички частици може да се разделят на две големи групи:

• частици на материята - кварки и лептони;
• частици на взаимодействията - бозони.

Класификация на частиците (мезоните са адрони и бозони, барионите са адрони и фермиони едновременно) Илюстрация:по идея на wikipedia

Докато повечето бозони са съставни частици, в Стандартния модел, има пет бозони, които са елементарни: четирите калибровъчни (вижте таблицата по-долу) и легендарния бозон на Хигс

Калибровъчните бозони действат като преносители  на фундаменталните взаимодействия в природата.

Таблица на фундаменталните взаимодействия
Фундаментални взаимодействия и сегашни теории за тях	Калибро-въчни Бозони	Частици, участващи във взаимодействието (примери)	Време (s)	Радиус (обхват) (м)	Относи-телна сила
Квантова хромодинамика (QCD)		Кварки (адрони)	10-23	10-15	1038
Квантова електродинамика (QED)		Заредените частици	10-23 ÷1016	∞	1036
Теория на електрослабите взаимодействия		Всички частици	10-12	10-18	1025
Обща теория на относителността (ОТО)		Всички частици	∞	∞	1
Гравитонът е хипотетична елементарна частица, която не е включена в Стандартния модел, но ако съществува, би трябвало да бъде калибровъчна. Илюстрациите са от: ETH Zurich, Institute for Particle Physics, превод Наука ОFFNews

^{Взаимодействия във физиката са начините, по които частици влияят на други частици.}

^{Обобщение на взаимодействията между частиците, описани в Стандартния модел.}

Илюстрация: wikipedia

Квантова теория на полето

Всички съвременните теории се стремят да описват силовите взаимодействия като обмен на частици. Те се наричат калибровъчни теории и те се основават на идеите за симетрия и инвариантност в системата частици - поле. Уравненията, описващи такава система остават неизменни, когато нещо се случи с целия набор от частици. Например, когато положителните и отрицателните заряди в системата си сменят местата, силите, действащи между частиците остават същите.

В квантовата теория на полето, частиците на материята са "кванти" (трептения) на съответните полета. Взаимодействието между частиците се пренася със специални полета. Според съвременните квантови представи, две частици си взаимодействат като си обменят трета частица - квант-преносител.

Диаграмите на Файнман (които подробно разгледах в публикацията Диаграмите на Файнман)  дават една опростена и нагледна представа на тези процеси, които ще представя в резюме по-долу.

Диаграми от този тип са използвани за първи път от Ричард Файнман аз по-нагледно представяне на взаимодействията на частиците, което впоследствие се оказва доста ефективно и са приети за стандарт  Илюстрация: wikibooks

Взаимодействието между две частици (p+p) се осъществява чрез обмен на някакви междинни частици ( q ), както е показано в диаграмата на Файнман вдясно.

В съответствие с принципа на неопределеността на Хайзенберг, частицата може за кратко да излъчи друга, виртуална частица q като че ли в очевидно нарушение на закона за запазване на енергията.

Ако масата на частицата квант-преносител q е равна на m, то времето на съществуването на частицата в междинно състояние може да се оцени като:

Δt ~ ћ/mc², за това време частицата q ще измине пътя: c . Δt ~ ћ/mc =L

Така двете взаимодействащи частици ще обменят квант-преносител, ако разстоянието между тях не надвишава L. Радиусът на взаимодействие се определя от масата на обменяния квант. В особения случай, когато частицата-преносител е безтегловна, например фотони, областта на взаимодействие е безкрайна.

Схема: hyperphysics	Различните бозони са отговорни за различните типове на взаимодействие, които се оказват само 4 типа. гравитационно електромагнитно силно слабо
	Файнманови схеми, описващи различните взаимодействия. Липсва гравитационното, осъществявано евентуално с хипотетичната частица гравитон.

Гравитационното взаимодействие

Това е най-известното от взаимодействията, наблюдава се и между макроскопични обекти, засяга всички частици и дори такива като безтегловните фотони, но вътре в атома не играе почти никаква роля.

Гравитационното взаимодействие се определя от закона за Всемирното привличане: между две точкови тела, действа силата на привличане право пропорционална на произведението на масите им m и обратно пропорционално на разстоянието r между тях.

F = G m₁ m₂ / r ² , където G е гравитационната константа, G = 6,673·10^-11 Nm²kg².

Но макар че сме свикнали в ежедневието си най-вече с това взаимодействие, то теоретично е най-проблематичното като стандартният модел го изключва.

Въпросът за природата на гравитационното поле е все още открит: има ли гравитацията "материалност" или е някаква особена трети вид материя (различна от вещество и поле) или има чисто геометричен характер.

Общата теория на относителността на Айнщайн разглежда поведението на това взаимодействие като кривина на пространство-временния континиум . С други думи, гравитационното взаимодействие е проява на деформацията на пространство-времето от присъствието на големи маси.

Макар и най-слаба, единствено гравитационната сила държи Вселената в едно цяло и управлява движението на всички тела в нея. Всички останали сили действат локално.

Според най-новите квантови идеи, гравитацията се осъществява чрез хипотетична елементарна частица, наречена гравитон, която няма маса в покой. Но съвременните средства засега не са в състояние да я открият.

Теория на квантовата гравитация

Теорията на квантовата гравитация е теория, която в момента се развива и има за задача да обедини квантовата физика и общата теория на относителността, т.е. двете най-велики теории във физиката на двадесети век. Въпреки че общата теория на относителността описва само една от четирите природни сили на Вселената, а именно гравитацията, квантовата теория третира останалите три природни сили (електромагнитно взаимодействие, слабото взаимодействие и силното взаимодействие).

Въпреки интензивната работа, обаче, теорията на квантовата гравитация, все още не е изградена. Основната трудност е, че тези две физически теории, които тя се опитва да обедини - квантовата механика и общата теория на относителността, се основават на различни философски принципи: квантовата механика описва явленията, свързани с елементарни частици, напр. на фона на външното пространство-време, а за общата теория на относителността, пространство-време не е външно, не е фон, а самото то е определяща динамична променлива.

Квантуването на класическата обща теория на относителността среща много трудности - тя не се поддава на ренормализация. Ситуацията се утежнява от факта, че преките експерименти в областта на квантовата гравитация, поради факта, че самите гравитационни взаимодействия са твърде слаби (виж таблицата) и са недостъпни за съвременната технология, което изключва възможността теоретичните построения да бъдат проверени.

Електромагнитното взаимодействие

Електромагнитното взаимодействие също има универсален характер като гравитационното и съществува между всички тела. Благодарение на електромагнитните връзки са възможни атомите, молекулите и макроскопичните тела. Всички химични реакции са проява на електромагнитни взаимодействия и са резултат от преразпределение на връзки между атомите в молекулите, преразпределение на електронните обвивки на атоми и молекули, а също количеството и състава на атомите в молекулите на различните вещества.

Основната характеристика на електромагнитното взаимодействие е наличието на заряди с противоположен знак (+ и - ) и (или) магнитен момент. Това прави възможно както привличане и отблъскване, така и отсътствие на сили при взаимна компенсация на противоположни заряди.

Художникът K. Endo показва как слънчевия вятър влияе върху магнитното поле на Земята Илюстрация: BGDC

По големина електромагнитните сили далеч превъзхождат гравитационните като се нареждат втори в скалата на взаимодействията и единствената причина да не се проявят с голяма сила в космически мащаби е неутралността на материята, тоест наличието във всяка област на Вселената с висока степен на точност на равни количества положителни и отрицателни заряди.

Също като при гравитационна сила, електромагнитното взаимодействие има ефект на сравнително големи разстояния от източника. Също като гравитацията, с увеличаване на разстоянието между частиците, силата на взаимодействието намалява с квадрата на растоянието.

Електромагнитното взаимодействие се описва от закона на Кулон: Силата на взаимодействието на две неподвижни заредени тела е право пропорционална на произведението от абсолютните стойности на зарядите q₁ и q₂ и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието r между тях.

F = k q₁ q₂ / r ²,

където k е коефициент на пропорционалност, к = 9·10⁹ N m C ².

Квантовата електродинамика

Първия успешен пример за квантова теория на полето - квантовата електродинамика - е построена от Файнман (Richard Feynman), Швингер (Julian Schwinger) и Томонага (Sin-Itiro Tomonaga) в средата на ХХ век, за която са били удостоени с Нобелова награда през 1965 г. Според квантовата електродинамика взаимодействието между заредени частици (като електрони и позитрони) възниква вследствие обмен на фотони - кванти на електромагнитното поле.

Досега квантовата електродинамика остава най-точната физична теория. Теоретичните изчисления в квантовата електродинамика съвпадат с експерименталните резултати в рамките на 10^-10.

От гледна точка на квантовата теория на полето електромагнитното взаимодействие се пренася от фотоните. Те са бозони без маса, които могат да бъдат представени като квантово възбуждане на електромагнитното поле. Самият фотон няма електрически заряд и следователно не може директно да взаимодейства с други фотони. В електромагнитното взаимодействие участват всички фундаментални частици с електрически заряда: кварки, електрони, мюон и тау-лептон (от фермионите) и заредените калибровъчни W ±бозони .

Силните взаимодействия

Това са най-кратко действащите и най-силните от фундаменталните взаимодействия. Силните взаимодействия свързват кварките вътре в нуклоните и в другите адрони. Тези взаимодействия предизвикат бързи процеси на превръщане на елементарните частици. Ядрените взаимодействия, свързващи нуклоните в ядрото, са проява (остатък) на по-фундаменталното силно взаимодействие.

Съвременната теория на силното взаимодействие е квантовата хромодинамика (QCD).

Квантовата хромодинамика

През 1954 г. Чарлз Йънг, и Р. Милс представят абстрактна схема, в която има три безмасови полета, имащи заряди: +, -, 0 и взаимодействащи помежду си. Тези характеристики рязко разграничават полето на Янг-Милс от обичайното електромагнитно поле, което е единствено, неутрално и не взаимодейства пряко само със себе си.

Когато се изясни кварковата структура на адроните, възникнала идея да се опишат междукварковите взаимодействия като обмен на кванти на някакви полета. Тези полета са наречени глуонни, а квантите на тези полета - глуони (от английски glue - лепило).

Силното взаимодействие е цветово взаимодействие, по време на което кварките обменят цветове, пренасяни от глуоните. Затова глуонът носи цветен заряд, т.е. е "оцветен" (има 8 различно оцветени глуони), което обуславя възможността за силно взаимодействие и между самите глуони. В допълнение глуоните са електрически неутрални, без маса, с много малък размер ( <10^-17cm) и със спин 1. Друго важно нещо - всички глуони взаимодействат с всички кварки с еднаква сила.

С увеличаване на разстоянието между кварките, енергията на взаимодействието расте подобно на потенциалната енергия на повдигнат камък над Земята. Когато потенциалната енергия е достатъчно голяма, "пружината" се скъсва и натрупаната й енергия на глуонното поле се изразходва за образуване на нови адрони - бариони и мезони. Например:

p → n + π+
Ако към протона се предаде достатъчно енергия на съставящия го u-кварк. Веригата ще се "скъса" и е възможно раждането на виртуална двойка (d, d). Както се вижда от схемата, антикваркът d се обединява с първоначалния кварк u (отделен от протона) и образува пион π+=(u d). Вторият кварк от виртуалната двойка d се свързва в изходния адрон и възниква неутрон.

За разлика от фотоните в QED, които нямат електрически заряд (но действат като носители на електромагнитното взаимодействие между заредени частици), глуоните имат свой собствен цветен заряд и могат да променят цвета на кварките, с които си взаимодействат. Например, ако при поглъщане на глуон, син кварк се превръща в червен, това означава, че глуонът е носител на червен положителен заряд и син отрицателен заряд.

Ядрените сили

Ядрените сили се разглежда като остатъчен ефект на силното взаимодействие. То действа като връзка между нуклоните в атомните ядра косвено: глуоните, които свързват кварките в протони и неутрони, предават част от своите кварки и формират виртуалнати пи- и ро-мезони , които на свой ред, предават ядрената сила между нуклоните.

За разлика от силното взаимодействие, ядрената сила или остатъчното силното взаимодействие, е по-слабо и намалява бързо (експоненциално) с увеличаване на разстоянието. Това дава превес след определено разстояние около (10^-12см) на електромагните сили на отблъскване между протоните и затова по-големите атомни ядра (по-големи от ядрото на оловото) са нестабилни.

Общото наименование "нуклони" за протоните и неутронитео не е случайно - спрямо ядрените сили те са еднакви частици и силите на привличане между тях (ядрените сили) не зависят от заряда им. С други думи, силата на привличане между протон и неутрон е същата, както между два протона и два неутрона.

Хидеки Юкава  през 1934 г.  предлага модел  на взаимодействията в ядрото. Според  модела на Юкава протоните и неутроните се задържат  с непрекъснат обмен на пиони между тях. Какво се случва:

• протон → неутрон

Когато  протон излъчи виртуален положително зареден пион, той "отнема" заряда му и протонът се превръща в неутрон. Пионът отдава положителния си заряд  на неутрон и го превръща в протон.

• неутрон →  протон

Неутронът пък излъчва отрицателно зареден пион и се превръща в протон, а отрицателният пион се поглъща от протон ,  който се превръща в неутрон.

• протон →  протон,  неутрон → неутрон

Връзката между два протона или два неутрона се осъществява чрез обмяна на неутрални пиони.  

Схема: hyperphysics

Вляво е Файнманова схема на това как се осъществява силното взаимодействие на нуклоните в ядрото. Връзката им се осъществява чрез изпускане на пион от единия нуклон и последващо го поглъщане от друг нуклон (по аналогия с електромагнитното взаимодействие, което се описва като обмен на виртуални фотони) - в този случай става обмен на мезони (пиони, каони...) .

Връзката между протоните и неутроните в ядрото става в резултат на обмена на барионни резонанси, които появяват при взаимното застъпване на виртуалните мезонни облаци на нуклоните и последващото поглъщане на мезоните от същите нуклони. В този случай, нуклоните се превръщат един в друг с излъчване на мезон. По този начин, свързаните нуклони в ядрото са неразличими Анимацията показва една от многото форми глуонни взаимодействия между нуклоните. За взаимодействието би могло да се използва виртуална двойка кварки d-кварк и анти d-кварк, които се възпроизвеждат и анихилират и създават π - мезон (пион), който свързва нуклоните.

Анимация: wikipedia

Трябва да се подчертае, че ядреното взаимодействие не е фундаментално - то се осъществява между нефундаментални, съставни частици - протони и неутрони и става чрез нефундаментални бозони (мезони), то е само следствие на силните взаимодействия.

Слабото взаимодействие

Благодарение на слабото взаимодействие, в което участват всички фермиони - лептони и кварки) се осъществява радиоактивния разпад на субатомните частици, както и ядрения синтез в звездите и в частност - производството на деутерий и хелий от водород в термоядрения синтез на нашето Слънце. Може да се каже, че тези взаимодействия са в основата и на Живота.

Слабото взаимодействие включва обмен на промеждутъчните векторни бозони: W± и Z⁰. Тъй като масата на тези частици е от порядъка на 80 GeV, принципа на неопределеността диктува обхват от около 10^-18 м, което е около 0.1% от диаметъра на протона. Технически, това е една от най-големите сили, по-силна от гравитацията, но тъй като въпросните частици са толкова големи, пътуването им се ограничава до много кратко разстояние.

Масите на промежутъчните бозони се оказали твърде големи - те са почти 100 пъти повече от масите на нуклоните (виж сравнителната схема вляво). Това са най-тежките частици, създавани някога в лаборатория

За разлика от глуоните, промеждутъчните бозони, също като фотоните могат да съществуват в свободно състояние.

Уникалността на слабото взаимодействие се състои в това, че само при него, може един кварк да смени типа си, фермиони да се "превърнат" в лептони, без следа от миналото състояние. Кварк от един аромат може да се превърне в един кварк от друг аромат само чрез слабо взаимодействие, чрез абсорбиране или излъчване на W  и Z бозони. Такъв механизъм на ароматна трансформация предизвиква радиоактивния процес на бета разпад, при който един неутрон "се разпада" на протон, електрон и електронно антинеутрино.

Разпадът на неутрона: n → p + e- + νe , изглежда на кварково ниво на два етапа. На първия етап става превръщане на d-кварк в u-кварк и W --бозон: d → u + W -, а на втория W --бозонът се разпада на електрон и антинеутрино: W - → e- + νe.Както бета разпада, така и обратния процес на обратен бета разпад се използват рутинно в медицински приложения като позитронна емисионна томография (PET) и по-високо енергийни експерименти..

Диаграма на Файнман: wikipedia

Всеки кварк има предпочитание да се превърне в кварк от собственото си поколение. Относителните тенденции на всички ароматни трансформации са описани от матрица , наречена Cabibbo-Kobayashi–Maskawa матрица (CKM матрица).

Схема: gravity.wikia

Градиентът  на слабите взаимодействия между шестте кварка е показан на схемата вляво.Интензитетът на линиите се определя от елементите на матрицата CKM:

Да обобщим

Три от четирите взаимодействия (а има сериозни съмнения и за гравитацията) имат един общ белег: пренасят се от калибровъчни бозони със спин 1. Всяка от фундаменталните сили значително се различава от другите:

• по маси на бозоните - при някои - електромагнитно и силното -масите на  фотоните и глуоните ( а може би и на  гравитона) са нулеви, при слабото  взаимодействие имат значителна маса;
• по далекодействие - гравитацията и електромагнитните сили нямат граница на обхвата, а останалите две действат само на изключително малки разстояния;
• привличане и отблъскване - електромагнитното , гравитационното действа само на привличане;
• зависимост от разстоянието - силното  се увеличава с нарастване на разстоянието между частиците, а останалите намаляват;
• по сила - гравитационното взаимодействие е 10³⁸ пъти по-слабо от силното взаимодействие - за сравнение ако във всяка ръка имате по едно тяло с маса 1кг, но ако върху едната ви ръката действа само гравитация и тялото ще тежи 1кг, но ако върху другото тяло действа силно взаимодействие, то ще трябва да повдигнете 77 трилиона земни кълбета.

Това разнообразие би могло да се обобщи чрез обединяващи теории, но те все още не са потвърдени.

Източници:

Свойства фундаментальных взаимодействий
Электромагнитное взаимодействие
Слабое взаимодействие и элементы теории электрослабого взаимодействия, Е. Косолапова, К.Коханов
Долина ядерной стабильности, Ю.М. Ципенюк Московский физико-технический институт
Сильное взаимодействие
Суперсимметрия для пешеходов, Д. В. Волков
Лептоны. Промежуточные бозоны. Единство всех взаимодействий.
Новые грани Истины. Мироустройство через глюоны и бозоны.
Belle Discovers a New Type of Meson , November 13, 2007 High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
Систематика частиц. Фермионы, бозоны. Лептоны, адроны, калибровочные бозоны
Промежуточные бозоны
Fundamental Forces
Gravity Wiki
Слабо ядрено взаимодействие
Кварки, лептоны, калибровочные бозоны
Кратка история на времето от големия взрив до черните дупки, Стивън Хокинг
Суперсила. Поиски единой теории природи, П.Девис
Суперсила. Поиски единой теории природы.. Великая троица Новая сила, П.Девис
История развития теоретической физики высоких энергий
Квантовая хромодинамика
Гравитационната смърт на Вселената, Айзък Азимов
Р.П. Фейнман. Теория фундаментальних процессов
Елегантната вселена, Брайън Грийн
Брайан Грин ЭЛЕГАНТНАЯ ВСЕЛЕННАЯ. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории
Particle Physics, The Institute for Particle Physics (IPP) belongs to the Physics Department of the ETH Zürich

Още по темата

18/02/2015

Физика

Елементарните частици