Лекция 18. Введение в физику элементарных частиц и взаимодействий

Физический вакуум и взаимодействия частиц.

Согласно современным представлениям, вакуум не есть абсолютная «пустота», в которой ничего нет. Вакууму присущи многие физические свойства; он может находиться в различных физических состояниях и поэтому получил название физического

вакуума.

Строго говоря, следует различать не один вакуум, а несколько: в зависимости от того, с какими частицами и полями он связан. Так, электромагнитное поле - поле фотонов - может отдавать свою энергию квантами hv> и при каждой такой отдаче число фотонов уменьшается на единицу. В результате может возникнуть такое состояние, когда число фотонов в системе равно нулю. Однако при этом электромагнитное поле не исчезает, а переходит в состояние с наименьшей энергией, отнять которую у него уже нельзя (то, что эта энергия отлична от нуля, является следствием принципа неопределенности). Такое состояние называется электромагнитным, или фотонным вакуумом. Аналогично и для других частиц вводится понятие о вакууме как о низшем энергетическом состоянии поля соответствующих частиц (например, электрон-позитронный вакуум и т.п.).

Взаимодействие между частицами осуществляется посредством обмена какими-то другими частицами, которым соответствует свой вакуум. Так, электромагнитное взаимодействие между двумя электронами осуществляется посредством электромагнитного вакуума: один из электронов испускает фотон, который поглощается другим электроном (рис. 18.1). В процессе испускания и поглощения фотонов изменяется энергетическое состояние вакуума, что в итоге проявляется как сила, действующая на один электрон со стороны другого.

Следует отмстить, что пока взаимодействие не началось, каждый из электронов является свободным, но свободная частица не может ни испустить, ни поглотить световой (или другой) квант: в противном случае будет нарушен либо закон сохранения энергии, либо закон сохранения импульса. Однако приведенное утверждение относится к испусканию реальных частиц. Взаимодействие же осуществляется виртуальными частицами, т.е. такими частицами, для которых не выполняется связь между энергией импульсом Взаимодействие двух электронов

Рис. 18.1. Взаимодействие двух электронов

Виртуальные частицы существуют только в течение очень короткого времени и поэтому недоступны экспериментальной регистрации. Как следует из квантовой теории, время существования частицы At связано с неопределенностью ее энергии ДЕ соотношением нсопредслг*ииг‘^'ГАЙ

Следовательно, закон сохранения энер-

гии не препятствует испусканию квантов поля свободными частицами, если только эти кванты имеют энергию АЕ и существуют в течение краткого промежутка времени At.

Электрон и облако виртуальных фотонов

Рис. 18.2. Электрон и облако виртуальных фотонов

Принцип неопределенности вынуждает, в частности, признать, что любая заряженная частица окружена облаком испускаемых и поглощаемых виртуальных фотонов (рис. 18.2). В общем же случае, любая частица окружена облаком виртуальных частиц - переносчиков взаимодействия, или квантов поля.

Тот же принцип неопределенности позволяет установить связь между радиусом действия сил R и массой кванта соответствующего поля т. Появление виртуального кванта означает нарушение закона сохранения энергии на величину А Е = тс. Так как ни одна частица нс может двигаться со скоростью, превышающей с, то максимальное расстояние, проходимое виртуальной частицей за время At равно R =cAt. Подставляя это в (18.1), получаем

При столкновении частиц с энергией, превышающей энергию покоя кванта поля тс2, последний может превратиться из виртуального в реальную частицу физического мира. В этом случае говорят о рождении частицы.

В настоящее время в природе известны четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах, проявляет себя в процессах а-распада, спонтанного деления, а также в большинстве ядерных реакций. К электромагнитным взаимодействиям сводятся взаимодействия электрически заряженных частиц, атомов, молекул. Слабые взаимодействия вызывают распад Р-радиоактивных ядер. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам, однако из-за малой интенсивности начинает играть заметную роль лишь при очень больших массах взаимодействующих тел.

Электромагнитные и гравитационные силы - дальнодействующие: радиус их действия бесконечно велик. Для первых соотношение (18.2) обеспечивается нулевой массой соответствующего кванта поля — фотона. Переносчиками ipa- витационного взаимодействия также должны являться частицы с нулевой массой - гравитоны. Из-за исключительной слабости гравитационного взаимодействия экспериментальное наблюдение гравитонов представляет собой задачу, далеко превосходящую возможности современной экспериментальной техники.

Напротив, сильное и слабое взаимодействия проявляются лишь на очень малых расстояниях. Поэтому, согласно (18.2), массы соответствующих квантов должны быть достаточно велики.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >