Н. И. Овчаренко.

Сильные взаимодействия

Си'льные взаимоде'йствия, одно из основных фундаментальных (элементарных) взаимодействий природы (наряду с электромагнитным, гравитационным и слабым взаимодействиями). Частицы, участвующие в С. в., называются адронами, в отличие от фотона и лептонов (электрона и позитрона, мюонов и нейтрино), не обладающих С. в. К адронам относятся все барионы (в частности, нуклоны — нейтрон n и протон p, гипероны) и мезоны (p-мезоны, K-мезоны), в том числе большое количество т. н. ядерно-нестабильных частиц — резонансов. Одно из проявлений С. в. — ядерные силы, связывающие нуклоны в атомных ядрах. С. в. имеют малый радиус действия (~10^-13см) и на этих расстояниях значительно превосходят все другие типы взаимодействий. Характерное время, за которое происходят элементарные процессы, вызываемые С. в., составляет 10^-23—10^-24сек. С. в. обладают высокой степенью симметрии; они симметричны относительно пространственной инверсии, зарядового сопряжения, обращения времени. Специфическим для С. в. является наличие внутренних симметрий адронов: изотопической инвариантности, симметрии по отношению к фазовому преобразованию, приводящей к существованию особого сохраняющегося квантового числа — странности, а также SU (3)-симметрии (см. ниже).

  Впервые С. в. как силы новой, неизвестной ранее природы были по существу обнаружены в опытах Э. Резерфорда (1911) одновременно с открытием атомного ядра; именно этими силами объясняется обнаруженное рассеяние на большие углы a-частиц при их прохождении через вещество. Однако понятие С. в. было сформулировано позже, в основном в 30-х гг., в связи с проблемой ядерных сил.

  Общие свойства сильных взаимодействий

  Короткодействующий характер С. в. Важнейшая особенность С. в. — их короткодействующий характер; как уже отмечалось, они заметно проявляются лишь на расстояниях порядка 10^-13см между взаимодействующими адронами, т. е. их радиус действия примерно в 100 000 раз меньше размеров атомов. На таких расстояниях С. в. в 100—1000 раз превышают электромагнитные силы, действующие между заряженными частицами. С увеличением расстояния С. в. быстро (приблизительно экспоненциально) убывают, так что на расстоянии несколько радиусов действия они становятся сравнимыми с электромагнитными взаимодействиями, а на ещё больших расстояниях практически исчезают. С короткодействующим характером С. в. связан тот факт, что С. в., несмотря на их огромную роль в природе, были экспериментально обнаружены только в 20 в., в то время как более слабые дальнодействующие электромагнитные и гравитационные силы были обнаружены и изучены гораздо раньше (вследствие дальнодействующего характера электромагнитных и гравитационных сил происходит сложение сил, действующих со стороны большого числа частиц, и таким образом возникает взаимодействие между макроскопическими телами).

  Для объяснения малого радиуса действия ядерных сил японский физик Х. Юкава в 1935 высказал гипотезу, согласно которой С. в. между нуклонами (N) происходит благодаря тому, что они обмениваются друг с другом некоторой частицей, обладающей массой, аналогично тому, как электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, согласно квантовой электродинамике (см. Квантовая теория поля), осуществляется посредством обмена «частицами света» — фотонами. При этом предполагалось, что существует специфическое взаимодействие, приводящее к испусканию и поглощению промежуточной частицы — переносчика ядерных сил. Другими словами, вводился новый тип взаимодействий, который позже назвали С. в. (Следует отметить, что впервые гипотеза об обменном характере ядерных сил для объяснения их малого радиуса действия выдвигалась независимо И. Е. Таммом и Д. Д. Иваненко.)

  Исходя из известного экспериментального радиуса действия ядерных сил, Юкава оценил массу частицы — переносчика С. в. Такая оценка основана на простых квантовомеханических соображениях. Согласно квантовой механике, время наблюдения системы Dt и неопределённость в её энергии DE связаны неопределённостей соотношением: DEDt  ~

, где  — Планка постоянная. Поэтому, если свободный нуклон испускает частицу с массой m (т. е. энергия системы меняется согласно формуле относительности теории на величину DE = mc2, где с — скорость света), то это может происходить лишь на время Dt ~ /mc². За это время частица, движущаяся со скоростью, приближающейся к предельно возможной скорости света с, может пройти расстояние порядка /mc. Следовательно, чтобы взаимодействие между двумя частицами осуществлялось путём обмена частицей массы т, расстояние между этими частицами должно быть порядка (или меньше) /mc, т. е. радиус действия сил, переносимых частицей с массой m, должен составлять величину /mc. При радиусе действия ~10^-13см масса переносчика ядерных сил должна быть около 300 m_e (где m_e — масса электрона), или приблизительно в 6 раз меньше массы нуклона. Такая частица была обнаружена в 1947 и названа пи-мезоном (пионом, p). В дальнейшем выяснилось, что картина взаимодействия значительно сложнее. Оказалось, что, помимо заряженных p^± и нейтрального p-мезонов с массами соответственно 273 т_е и 264 m_e, взаимодействие передаётся большим числом др. мезонов с большими массами: r, w, j, К,... и т. д. Кроме того, определенный вклад в С. в. (например, между мезонами и нуклонами) даёт обмен самими нуклонами и антинуклонами и их возбуждёнными состояниями барионными резонансами. Из соотношения неопределённостей следует, что обмен частицами, имеющими массы больше массы пиона, происходит на расстояниях, меньших 10^-13см, т. е. определяет характер С. в. на малых расстояниях, Экспериментальное изучение различных реакций с адронами (таких, например, как реакции с передачей заряда — «перезарядкой»: p^- + р ® p + n, К^- + р ® K + n и др.) позволяет в принципе выяснить, какой вклад в С. в. даёт обмен теми или иными частицами.

  Относительная величина С. в. Для характеристики величины С. в. сравним их с электромагнитными взаимодействиями, для описания которых существует подробно разработанный математический аппарат, Такое сравнение позволяет понять трудности, с которыми сталкивается разработка теории С. в. Взаимодействие заряженной частицы с электромагнитным полем — полем фотонов — определяется электрическим зарядом е частицы (который и является константой электромагнитного взаимодействия), а вероятность испускания одного фотона при взаимодействии заряженных частиц, согласно квантовой электродинамике, пропорциональна безразмерной величине a = e²/

c » ¹/₁₃₇ (называется постоянной тонкой структуры). Вероятность испускания в каком-либо процессе n фотонов пропорциональна aⁿ, т. е. в 137 раз меньше, чем вероятность испускания (n — 1) фотонов (исключение, требующее особого рассмотрения, — испускание большого числа т. н. инфракрасных фотонов с очень малой энергией). Ввиду малости величины a можно рассматривать процессы электромагнитного взаимодействия с помощью т. н. теории возмущений, последовательно учитывая обмен между заряженными частицами всё большим числом фотонов. Математически такая теория представляется в виде бесконечного асимптотического ряда по степеням малого параметра a и даёт прекрасное согласие с экспериментом. Если, переходя к описанию С. в., ввести, например для характеристики взаимодействия нуклонов с полем p-мезонов, постоянную g — т. н. константу С. в., имеющую размерность электрического заряда, то, как показывает сравнение с экспериментом, безразмерная величина g²/

c в С. в. (аналогичная величине а в электромагнитных) оказывается больше единицы: g²/

c » 15. Это означает, что в процессах С. в. должен быть существен обмен большим числом частиц, а в случаях, когда энергия сталкивающихся адронов достаточно велика, должны превалировать множественные процессы с рождением большого числа вторичных частиц. Поэтому при рассмотрении процессов С. в. нельзя пользоваться теорией возмущений, столь эффективной для электромагнитных взаимодействий, и необходимо учитывать, что во взаимодействии реально участвует большое число частиц. Известно, что в некоторых областях физики (например, в физике твёрдого тела) имеются эффективные приближенные методы рассмотрения динамических задач с учётом многих частиц, взаимодействие между которыми не мало. Успешное теоретическое рассмотрение такого рода задач возможно потому, что в них хорошо известно т. н. нулевое приближение для состояния системы, а не сильно возбуждённые состояния можно представить как совокупность элементарных возбуждений — квазичастиц, взаимодействием между которыми можно в нулевом приближении пренебречь (например, тепловые колебания атомов твёрдого тела могут быть представлены как совокупность колебаний всей кристаллической решётки, которым соответствуют квазичастицы — фононы). Возможно поэтому, что отсутствие последовательной теории С. в. связано с недостаточностью экспериментальной информации о вызываемых ими процессах и дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования помогут найти «нулевое приближение» для описания процесса С. в.