5. Теории в физике частиц. Типы взаимодействий частиц.
Константы и радиусы взаимодействий.
Как известно существует 4 типа фундаментальных взаимо-действий - cильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Наиболее существенны в физике частиц первые три. Гравитационное взаимодействие, в силу исключительной слабости, для большинства процессов с участием элементарных частиц можно не учитывать. Лишь при экстремально больших энергиях (1019 ГэВ) роль гравитационных сил не менее важна, чем остальных. В данном курсе мы ограничимся рассмотрением сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий элементарных частиц.
Для описания процессов, происходящих в мире частиц, служит релятивистская квантовая теория или квантовая теория поля. Наиболее известный и разработанный вариант этой теории применяется для описания электромагнитных взаимодействий и носит название квантовой электродинамики (КЭД). КЭД - наиболее продвинутая из всех известных физических теорий. Она обеспечивает рекордную точность предсказаний (на уровне 10-9 - 10-10) и пока не обнаружено ни одного факта, противоречащего этой теории. Приведем в качестве примера величины магнитного момента электрона e (в магнетонах Бора), рассчитанные в рамках КЭД и полученные экспериментально
|
|
ÊÝÄ (8.3) эксперимент |
Точность данных относится к цифрам в скобках.
За создание КЭД Фейнману, Швингеру и Томонаге в 1965 г. была присуждена Нобелевская премия.
В настоящее время создана теория, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие (в так называемое электрослабое). Эта теория, описывающая электромагнитные и слабые взаимодействия кварков и лептонов и включающая КЭД как составную часть, носит название электрослабой модели (ЭСМ) и подтверждена экспериментально. За е¸ создание Глэшоу, Саламу и Вайнбергу в 1979 г. присуждена Нобелевская премия.
Для описания сильных взаимодействий кварков построена теория, называемая квантовой хромодинамикой (КХД).
Таким образом, ЭСМ и КХД совместно описывают сильное, электромагнитное и слабое взаимодействие кварков и лептонов и образуют теоретическую схему, называемую Стандартной Моделью. Эта модель содержит, в частности, объяснение возникновения массы элементарных частиц в рамках механизма спонтанного нарушения симметрии, предложенного Хиггсом. Стандартная модель и другие теории (КЭД, ЭСМ, КХД), используемые для описания частиц и их взаимодействий, слишком сложны, чтобы излагаться в данном курсе. Мы ограничимся некоторыми качественными представлениями, о которых начнем говорить уже в следующем разделе, посвященном диаграммам Фейнмана. Диаграммы Фейнмана являются удобной иллюстрацией процессов, происходящих в мире частиц. Одновременно они позволяют получать оценки вероятности этих процессов, т.к. задают алгоритм вычисления эффективных сечений. Центральный фактор, от которого зависит вероятность процесса - константа взаимодействия . Эта константа безразмерна и является характеристикой фундаментального взаимодействия. Она определена в Лекции 5. О ней мы скажем также в конце следующего (6-го) раздела, а пока укажем лишь, что сила и энергия взаимодействия двух частиц пропорциональны , а вероятность взаимодействия - 2.
Приведем таблицу фундаментальных взаимодействий с указанием теорий, описывающих эти взаимодействия, их констант и радиусов соответствующих сил.
Таблица 8.2