Четыре вида взаимодействия элементарных частиц

Взаимодействие в физике это воздействие частиц друг на друга, приводящее к изменению их состояния. Взаимодействие осуществляется посредством тех или иных полей. Согласно квантовой теории поля (КТП) любое поле представляет собой совокупность частиц – квантов этого поля. В природе существует только четыре вида взаимодействия или четыре квантовых поля - сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Интенсивность каждого взаимодействия определяется своей константой связи альфа равной квадрату заряда, деленному на четыре пи ( ).

Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие электрических зарядов с электромагнитным полем. Сила электромагнитного взаимодействия между покоящимися элементарными частицами дальнодействующая и изменяется с расстоянием как 1/r² (закон Кулона). Интенсивность электромагнитных процессов в микромире определяется безразмерным параметром е²/hc = 1/137 .Характерные времена радиационных распадов элементарных частиц и возбужденных состояний ядер по каналу электромагнитного взаимодействия составляют ~ 10^-12 10^-20 сек. При электромагнитном взаимодействии сохраняются квантовые числа: пространственная четность, зарядовая четность. странность, очарование, красота. Электромагнитное взаимодействие инвариантно относительно обращения времени (т.е. замены t на -t). При электромагнитном взаимодействии адронов нарушаются законы сохранения изотопического спина и G-четности. Изотопический спин адронов может менятся при испускании или поглощении фотона на ±1 или 0). Равенство нулю массы покоя фотона связано с его дальнодействующим характером электромагнитного взаимодействия. Отрицательная зарядовая четность фотона отвечает возможности радиационного распада истинно нейтральных частиц, обладающих положительной зарядовой четностью на четное число фотонов, например: . Интенсивности процессов электромагнитного взаимодействия мала, по сравнению с интенсивностью процессов сильного взаимодействия. Например, сечение рассеяния фотонов с энергией 320 Мэв на протоне составляет =2 10^-6 барна и меньше в 10⁵ раз сечения рассеяния пи-мезона на протоне.

Электромагнитное взаимодействие универсально для различных явлений и процессов, так как зависит только от электрического заряда.

Принцип калибровочной инвариантности электромагнитного взаимодействия состоит в инвариантности наблюдаемых физических величин относительно калибровочных преобразований векторного и скалярного потенциалов.

Фотон (гамма-квант) – квант электромагнитного поля, имеет спин единицу. Фотоны подчиняются статистике Бозе, т.е. в одном квантовом состоянии может находиться любое число фотонов. Сечение рассеяния фотонов с энергиями 1 Гэв на протоне составляет 10 ^-30 см², см. табл.2.6

Квантовая электродинамика (КЭД) – раздел квантовой теории поля, в котором изучают взаимодействие электромагнитного поля с электронно-позитронным полем. Фотонным вакуумом или вакуумным состоянием электромагнитного поля называется низшее энергетическое состояние этого поля. При возбуждении фотонного вакуума происходит рождение частицы кванта электромагнитного поля. Квантовая электродинамика описывает мощные и быстроменяющиеся электромагнитные поля и взаимодействия между фотонами и лептонами. Уравнения Максвелла описывают слабые, медленно меняющиеся электромагнитные поля.

Уравнения Максвелла в ковариантной форме

Уравнения Максвелла с токами и зарядами имеют вид

. (2.9)

Напряженности электрического и магнитного полей выражаются через векторный потенциал и скалярный потенциал

. (2.10)

Оба потенциала можно представить через 4-векторный потенциал электромагнитного поля

. (2.11)

Калибровочные преобразования векторного потенциала

и скалярного (2.12)

возьмем в виде калибровки Лоренца

(2.13)

где - 4-контравариантная производная, -4-ковариантная производная, -4 радиус-вектор и .

Если ввести 4-вектор электрического тока и антисимметричный тензор напряженности электромагнитного поля

(2.14)

то уравнения Максвелла примут вид (по дважды повторяющимся индексам предполагается суммирование).

(2.15)

и уравнение для 4-векторного потенциала станет следующим

² (2.16)

где - оператор Даламбера.

Если , то

² = 0 (2.17)

В калибровке Лоренца закон сохранения заряда , тогда уравнение для фотонного поля ² (2.18)

имеет решение

(2.19)

где - 4-вектор поляризации фотона. q- 4-импульс фотона.

Подставляя (2.19) в (2.18) получаем

q= , (2.20)

т.е. при индексе i=0 масса покоя фотона равна нулю: .