SILNÁ INTERAKCE
Základní informace
Trocha historieV pořadí třetí interakcí popisovanou kvantovou teorií pole je silná interakce. Jde o interakci, kterou drží pohromadě nukleony v atomovém jádře a současně i kvarky tvořící jednotlivé nukleony. První jednoduchou teorii silné interakce vytvořil Hideki Yukawa v roce 1934. Z dosahu interakce vypočítal hmotnost intermediálních částic a usoudil, že při silné interakci si neutrony a protony v jádře mezi sebou vyměňují mezony. Dnes víme, že jde o podobnou situaci, jako v elektromagnetické interakci. Interagují-li mezi sebou dva bodové náboje, vyměňují si fotony a síla ubývá jako 1/r2. Elektromagnetická interakce může ovlivňovat ale i složitější komplexy, byť jsou navenek neutrální – jde o dipólo–dipólovou interakci, dipólo–kvadrupólovou interakci, atd., ve kterých silové působení ubývá s vyšší mocninou r (tzv. Van der Waalsovy síly). U silné interakce představuje základní úroveň výměna gluonů mezi kvarky tvořícími částici (například neutron nebo proton). Vzájemná interakce neutronu s protonem je potom na úrovni vzájemné interakce větších komplexů.
Kvarky se skládají do částic tak, aby výsledek byl bezbarvý. První možností je kombinace kvark-antikvark (například červená–antičervená). To jsou pro nás již známé mezony. Druhou možností je složení tří kvarků různých základních barev, které dohromady dají bílou – jde o baryony. Základním nábojem silné interakce je barva. Teorie silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika podle „chromos" – teorie barvy a má zkratku QCD (Quantum ChromoDynamics). Jde o výběrovou interakci, která působí jen na částice složené z kvarků, tj. na hadrony (mezony a baryony). V okolí kvarků vytvářejí gluony těžké „gluonové kožichy", které jsou hmotnější než samotné kvarky. Například down (d) kvark má hmotnost 7 MeV a jeho gluonový kožich cca 300 MeV. Na rozdíl od ostatních interakcí jsou v silné interakci samy intermediální částice nositeli barevného náboje (barvy). To neznáme u elektromagnetické interakce: foton jako intermediální částice elektromagnetické interakce sám o sobě nenese elektrický náboj. Důsledkem tohoto faktu je tzv. antistínění barevného náboje. Čím blíže kvarku se nacházíme, tím je jeho barevný náboj menší. Proto kvarky na velmi malých vzdálenostech neinteragují a síla interakce roste se zvětšující se vzdáleností kvarků (tzv. asymptotická svoboda kvarků na malých vzdálenostech). Proto se kvarky nevyskytují nikdy o samotě. V počátečních fázích vývoje vesmíru byla průměrná vzdálenost mezi částicemi menší než 10−15 m a kvarky netvořily mezony a baryony a vyplňovaly vesmír jako volné částice. Teprve když vesmír expanzí získal větší rozměry, začaly vznikat hadrony.
Feynmanovy diagramyStejně jako u elektromagnetické interakce je základním diagramem linie interagující částice (kvarku) s intermediální částicí (gluonem) vycházející z vrcholu. U silné interakce je ale možná i silná interakce gluonů samotných (mají barevný náboj), je tedy možná gluono–gluonová interakce znázorněná na druhém diagramu.
Podobně jako v elektromagnetické interakci je možné, aby letící kvark vyslal a chytil intermediální částici (zde gluon), nebo aby se letící částice (zde gluon) rozštěpila na pár částice–antičástice (zde kvark–antikvark). Navíc je u silné interakce možné, aby se letící kvark nebo gluon změnily na pár gluonů.
U diagramů silné interakce nebývá zvykem zakreslovat všechny vyslané a chycené gluony. Jako příklad uveďme diagram rozpadu mezonu na dva mezony a silný rozpad částice Δ++:
Dělení mezonu je podobné dělení magnetu na dvě části. Nikdy nezískáme
samotný kvark, ale po rozdělení získáme opět dvojici mezonů. Čáry mezi
kvarky představují silokřivky gluonového pole. Prostor mezi kvarky se nazývá
gluonová
nit.
A na závěr některé trochu složitější diagramy. V prvním jde o silnou srážku dvou urychlených protonů p+ + p+ → Λ0 + K+ + p+:
Posledním diagramem je rozpad částice B0 (připravuje se například na zařízení BABAR nebo v detektoru LHCb) na dvojici neutrálních kaonů. Rozpad může probíhat dvěma kanály, jejichž diagramy si podrobně prohlédněte. V druhé možnosti připomíná uzavřená část diagramu (W–, t) spolu s polním gluonem a párem (s, s) tělíčko tučňáka. Někdy se proto tomuto diagramu říká tučňákový diagram (penguin diagram). Pomocí takovýchto rozpadů se zkoumá symetrie mezi hmotou a antihmotou (C symetrie a CP symetrie).
Porovnání s elektromagnetickou interakcíZákladní odlišností je to, že intermediální částice silné interakce mají barevný náboj (u elektromagnetické interakce nenesou fotony elektrický náboj). Odsud plynou základní rozdíly.
Volně letící elektron vysílá fotony, které se dělí na elektron pozitronové páry. Důsledkem je, že kolem letícího elektronu je oblak virtuálních elektron–pozitronových párů, které efektivně stíní náboj elektronu. Při vysokých energiích se částice dostávají blíže elektronu a pociťují vyšší elektrický náboj než z větší vzdálenosti. U letícího kvarku je situace jiná. Vytváří kolem sebe kromě oblaku kvark antikvarkových párů mohutný gluonový kožich. Tyto gluony jsou nositeli barevného náboje, proto dochází k antistínění kvarku. Čím blíže se ke kvarku dostaneme, tím menší barevný náboj budeme pociťovat. Vzdálené kvarky velmi silně interagují a nelze je proto od sebe odtrhnout. Základní rozdíly mezi elektromagnetickou a silnou interakcí:
|