СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1983.

СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

- одно из фундам. взаимодействий элементарныхчастиц, интенсивность к-рого, характеризуемая константой связи ( константойвзаимодействия), значительно больше, чем у др. типов взаимодействий- эл.-магн., слабого и гравитационного.

Вообще говоря, интенсивность взаимодействия зависит от характерных дляпроцесса взаимодействия пространственных и временных масштабов, и выделениеС. в. в особый класс имеет фактически более глубокие основания - оно обусловленоучастием во взаимодействии специфич. физ. полей. Более того, взаимодействия, электрослабоговзаимодействия. Существуют также модели великого объединения, вк-рых делается попытка объединить сильное, эл.-магн. и слабое взаимодействия. Супергравитация).

До 1930-х гг. для описания наблюдаемых физ. явлений достаточно былорассматривать гравитац. и эл.-магн. взаимодействия. Первые играют решающуюроль в явлениях космич. масштабов, а вторые ответственны за строение атомов, многообразие внутр. свойств твёрдых тел, жидкостей и газов. взаимодействие между нуклонами гораздо сильнее электромагнитного, посколькутипичные энергии связи нуклонов в ядрах порядка неск. МэВ, в то время какэнергии связи в атомах порядка неск. эВ. Кроме того, эти силы, в отличиеот электромагнитных и гравитационных, обладают малым радиусом действия~10^-13 см. В квантовой теории радиус действия сил обратно пропорционаленмассе частиц, обмен к-рыми обусловливает взаимодействие. Поэтому X. Юкава(Н. Yukawa) в 1935 высказал предположение о существовании «тяжёлых квантов»- мезонов, переносчиков С. в. В 1947 в космических лучах былиоткрыты первые, наиб. лёгкие из таких частиц - -мезоны.

Сильно взаимодействующие частицы получили назв. адронов. Их общеекол-во исчисляется неск. сотнями. Адроны разделяются на барионы, обладающие барионнымчислом (В), и мезоны, для к-рых В= 0. В природных условиях, с=1). Мезоны рождаются при столкновениях частиц, когда энергия столкновениядостаточно велика (сотни МэВ и выше).

Обширную область физики, изучающую ядерные реакции при низких энергиях, ядернойфизике. Физика С. в. в более узком смысле обычно имеет дело с элементарнымичастицами, участвующими в процессах соударения частиц достаточно высокихэнергий (входящих в состав космич. лучей или созданных в лаб. условияхна ускорителях заряж. частиц). Энергия, выделяющаяся при соударении частицможет на два-три порядка превосходить массу протона. Лишь при достаточновысоких энергиях сталкивающихся частиц появляется возможность рожденияновых тяжёлых частиц и можно получить более детальное представление о характереС. в., исследовать его свойства на очень малых расстояниях.

Все адроны, за исключением протона, нестабильны (нейтроны, входящиев состав стабильных атомных ядер, стабильны, хотя свободный нейтрон распадаетсяза время ~10³ с на протон, электрон и электронное антинейтрино).При этом большинство адронов обладает крайне малым временем жизни, характернымдля С. в. [порядка (10^-22 - 10^-24) с]; они наз. резонансами. Рождающиесяпри соударениях частиц резонансы идентифицируются обычно по продуктам ихраспада. Для их изучения создана специализиров. эксперим. техника (разл.детекторы частиц, ионизационные калориметры). Регистрация актов соударенияпроизводится с помощью ЭВМ, что позволяет проанализировать миллионы событий, ускорители) представляютсобой крупные и дорогостоящие сооружения, для к-рых характерно сочетаниебольших размеров и высокой точности, использование наиб. передовых технологийи разработок, таких, как сверхпроводящие магниты.

Взаимодействия адронов. За 40 лет, прошедших после открытия я-мезонов, состояния и процессы рождения новых частиц, в первую очередьлегчайших из них- я-мезонов. При энергии соударения, большей неск. ГэВ, Множественныепроцессы), а упругие и полные эфф. сечения взаимодействия становятсяплавными ф-циями энергии соударения. Наиб. энерговыделение в лаб. условиях~10³ ГэВ в системе центра масс (СЦМ) достигнуто при соударениивстречных -пучков.

При энергиях в десятки ГэВ (в СЦМ) и выше наблюдается характерный длявсех адронов медленный рост эфф. сечений взаимодействия. Осн. часть процессов(ок. 80%) составляют при этом неупругие взаимодействия с рождением десятковвторичных частиц. Ввиду большого числа степеней свободы, эффективно участвующихв процессе соударения, проявляются статистич. свойства родившихся адронови с успехом может быть использовано термодинамич. и гидродинамич. описаниеотд. этапов процесса множеств. рождения.

При достигнутых энергиях большая часть неупругих процессов происходитв результате т. н. мягких соударений (см. Мягкие процессы), дляк-рых характерны небольшие (неск. сотен МэВ) передачи импульса в поперечномнаправлении. Ясное понимание механизма таких процессов отсутствует, хотяимеются феноменологич. модели, систематизирующие и описывающие многочисл. Инклюзивныйпроцесс )для больших продольных импульсов вторичной частицы можно отметитьзависимость только от отношения продольного импульса к его максимальновозможному значению (с к е й л и н г Ф е й н м а н а).

Заметную долю неупругих процессов составляют также «катастрофич.» (жёсткие)соударения с большой передачей импульса, к-рые приводят к образованию болееили менее резко выраженных струй вторичных адронов (групп из неск. адронов, Струя адронная). С ростом энергиидоля таких процессов нарастает, и в наиб. высокоэнергетич. -соударенияхони составляют до 20% всех событий, в значит. мере определяя рост полныхсечений взаимодействия. Осн. черты таких процессов описываются на основепредставления о партонах - слабо связанных друг с другом составныхэлементах адронов. Считается, что при жёстком соударении происходит рассеяниена большой угол двух или большего числа партонов, входящих в состав двухсталкивающихся адронов с последующим переходом партонов в адронные струи. квантовой хромодинамике (КХД).

Упругое рассеяние адронов при высоких энергиях составляет ок. 20% событийи тесно связано с неупругими процессами. Оно имеет в осн. дифракционный, Дифракционное рассеяние). Кроме того, заметную долю событийсоставляют своеобразные процессы дифракционной диссоциации, прик-рых дифракционно рассеивающийся адрон переходит в возбуждённое состояние, В эксперименте наблюдается сужение дифракц. пика в дифференциальномсечении упругого рассеяния по мере роста энергии, что означает рост эфф. Редже полюсов метод), согласно к-ройасимптотич. поведение амплитуды процесса С. в., рассматриваемой как аналитическаяфункция своих аргументов, определяется крайней правой особенностьюв комплексной плоскости угл. момента J. Если эта особенность в комплекснойJ-плоскости является полюсом, то процесс взаимодействия можно рассматриватькак результат обмена реджеоном - своеобразным адронным состояниемс переменными спином l и массой. В случае упругого рассеяния соответствующийреджеон, по-видимому, отсутствует и характер особенности J-плоскости (т. С точки зрения метода полюсов Редже особый интерес представляют бинарныеадронные процессы , где адроны а ₃, а ₄ отличаются от a₁,a₂. C ростом энергии сечение такого процесса и ширина пика вугл. распределении падают характерным образом, указывая на то, что привысоких энергиях в таких процессах происходит обмен реджеоном с определ. т (траекторией полюса Редже). Прицелых значениях спина реджеон должен быть обычным адроном, а всё семействотаких адронов, обладающих одинаковыми внутр. квантовыми числами, должнолежать на одной траектории Редже. Эксперим. данные по массам и спинам резонансовдействительно говорят о существовании таких редже-семейств адронов. Приэтом траектории Редже, объединяющие адроны каждого семейства, оказываютсяпрактически прямыми линиями в переменных J, m², имеющими одинаковые(примерно) наклоны.

Применение общих принципов теории. С. в., как и др. типы взаимодействийэлементарных частиц, должны описываться квантовой теорией поля (КТП).Осн. препятствием для построения квантовополевых моделей в течение мн. возмущений теории, по существу - единственногохорошо разработанного аналитич. подхода в КТП. Поэтому большое развитиев теории С. в. получили методы, к-рые используют общие принципы теориидля определения свойств матрицы рассеяния. К числу таких общих принциповотносятся унитарность, релятивистская инвариантность, перекрёстная симметрия (кроссинг-симметрия),причинность (см. Причинности принцип). В этом подходе осн. рольиграет изучение аналитич. свойств матричных элементов, рассматриваемыхкак ф-ции комплексных переменных, к-рыми служат кинематич. инварианты, Условие унитарности матрицы рассеяния, выражающее математически тотфакт, что сумма вероятностей всех возможных конечных состояний процессасоударения равна единице, связывает характеристики упругого рассеяния инеупругих процессов. В частности, мнимая часть амплитуды упругого рассеянияна нулевой угол выражается через полное сечение рассеяния ( оптическаятеорема). Эта связь лежит в основе описания дифракц. рассеяния адроновпри высоких энергиях, а также может быть использована для того, чтобы установитьсоотношения между амплитудами разл. бинарных процессов. Условие унитарностиопределяет характер особенностей амплитуд как аналитич. ф-ций комплексныхпеременных. На практике часто используется предположение, что матрица рассеянияимеет только те особенности, к-рые диктуются условием унитарности и соответствуютотд. адронам (полюсы) или порогам рождения неск. частиц (точки ветвления).

Согласно кроссинг-симметрии, единая аналитич. ф-ция в разл. областяхсвоих аргументов описывает как амплитуду процесса , так и амплитуды процессов , (где означает адрон, являющийся античастицей по отношению к а _i).Аналогичное утверждение (с заменой любой входящей частицы на выходящуюантичастицу и наоборот) применимо и при большем числе частиц. Совместноерассмотрение перекрёстных процессов оказалось очень плодотворным в физикеС. в. Оно тесно связано с методом полюсов Редже и в сочетании с ним приводитк полезным правилам сумм, связывающим интегральный низкоэнергетич. вкладамплитуды бинарного процесса с её высокоэнергетич. поведением, к-рое определяетсяполюсами Редже. Это в свою очередь приводит к концепции дуальности, согласнок-рой описание амплитуды бинарного процесса с помощью резонансов прямогоканала должно быть эквивалентно её описанию с помощью полюсов Редже перекрёстногоканала. Дуальная резонансная модель смыкается с теорией струн (см. Струнныемодели адронов )и на качеств. уровне отражает осн. свойства адронныхрезонансов.

Существенные результаты даёт также использование принципа причинности, интервалом и происходящие в более поздниемоменты времени. Требование причинности, выраженное в матем. форме, накладываетсерьёзные ограничения на аналитич. свойства элементов матрицы рассеяния, дисперсионные соотношения, связывающие действительныеи мнимые части амплитуд разл. процессов. Т. к. мнимые части амплитуд упругогорассеяния вперёд выражаются через полные сечения, дисперсионные соотношениясвязывают наблюдаемые величины и могут использоваться при анализе эксперим. Дисперсионных соотношений метод).

Совместное использование общих принципов лежит в основе аксиоматич. Аксиоматическаяквантовая теория поля). К числу осн. достижений такого подхода относитсяряд высокоэнергетич. теорем ( асимптотические теоремы). В частности, быстрее, чем (т. н. ограничение Фруассара), а ширина дифракц. пика упругого рассеянияне может сужаться быстрее, чем .При дополнит. правдоподобных предположениях было показано, что сечениявзаимодействуя частиц и соответствующих им античастиц с одной и той жемишенью при достаточно высоких энергиях должны сравниваться ( Померанчукатеорема).

При более прагматич. подходе, типичном для совр. состояния теории, общиепринципы или их следствия используются как составные элементы феноменологич. Симметрия сильных взаимодействий. Характер С. в. в значит. мере определяетсяих свойствами симметрии. Под симметрией здесь понимается неизменность (инвариантность)состояния системы или закона её взаимодействия (точнее, инвариантность действия системы)при тех или иных преобразованиях, к-рые, с точки зрения их матем. структуры, группой преобразований. Если действие системы инвариантноотносительно нек-рых преобразований, а состояние системы не инвариантно, спонтанном нарушении симметрии. Значение симметриисостоит в том, что она накладывает жёсткие требования на форму взаимодействияи состав частиц. В частности, симметрия лежит в основе классификации адронов.

Из всех типов взаимодействий С. в. обладает наиб. высоким уровнем симметрии. пространственнойинверсии, обращения времени и зарядового сопряжения (а такжеотносительно преобразований Лоренца, вращений в пространстве, сдвигов впространстве и времени). В соответствии с этим в С. в. сохраняются пространственная чётность и зарядовая чётность. Сохраняется также барионное число.

Из числа внутренних симметрии С. в. в спектре адронов наиб. яркопроявляется т. н. симметрия ароматов, к-рая математически описываетсякак группа унитарных унимодулярных преобразований SU(n). Эта симметрия- приближённая. Её простейший частный случай - изотопическая инвариантность, соответствующаягруппе SU(2), а более общий - т. н. унитарная симметрия, соответствующаягруппе SU(3). Из-за наличия симметрии ароматов все адроны группируютсяв мультиплеты - наборы частиц с одинаковыми спинами н чётностями и близкимимассами, реализующие линейные представления соответствующей группы симметрии. изотопическогоспина (такие, как дублет рп или триплет ), более общие унитарные мультиплеты группы SU(3 )(напр., октетнуклонов и гиперонов или октет псевдоскалярных мезонов) и т. д. (см. Элементарные частицы). Кроме того, наличиесимметрии ароматов требует, чтобы лагранжиан эффективный взаимодействияадронов был инвариантом группы SU(n), что в значит. мере определяетего форму.

Существование симметрии ароматов и наличие адронных мультиплетов объясняютсятем, что адроны составлены из кварков неск. видов: и, d, s, с,b и С. в. кварков всех видов одинаково. Мезоны составлены из кваркаи антикварка, а барионы - из трёх кварков. Напр., -мезонимеет структуру ,а протон - (uud). Каждый вид кварков характеризуется массой и ароматом- квантовым числом, сохраняющимся в С. в. В пределе точной симметрии массыадронов, входящих в один мультиплот, должны совпадать. Нарушение симметрииобъясняется различием масс кварков разл. ароматов . Это нарушение сравнительно невелико, если разности масс кварков малыпо сравнению с масштабом энергий, характерных для С. в., по порядку величиныравным (0,2 - 1,0)ГэВ [что соответствует характерным расстояниям r = (0,2- 1,0)*10^-13 см]. Такое условие лучше всего выполняется длянаиб. лёгких и-,d-кварков, и поэтому изотопич. инвариантность, и,d-симметрией, нарушена в наим. степени. Она реализуетсяс точностью в неск. процентов, так что поправки к ней находятся на уровнеожидаемых эл.-магн. поправок. При наличии более тяжёлого s-кварка нарушениеадронной симметрии более существенно (на уровне десятков процентов), новсё же SU(3)-симметрия (симметрия между и-, d-,s-кварками) оченьполезна. Более высокие симметрии сильно нарушены из-за больших масс с-,b -кварков.

Существ, роль в С. в. играет также киральная симметрия, характерная, L )и правые(R )кварки, . Она может проявиться в С. в. в той мере, в какой массы кварков, входящиев исходный лагранжиан теории (т. п. токовые массы), малы по сравнению схарактерной энергетич. шкалой С. в. Лёгкие кварки и, d и в значит. , объединяя в один мультиплет адроны с разл. чётностью. Вместо этого должныпоявляться голдстоуновские бозоны. Их роль играют здесь псевдоскалярныемезоны, т. е. -мезоныгруппы SU(2 )и с меньшей точностью мезоныгруппы SU(3). Массы этих мезонов обусловлены лишь малыми токовымимассами кварков, т. е. явным нарушением киральной симметрии. Это объясняет, Низкоэнергетнч. взаимодействия псевдоскалярных мезонов можно описатьс помощью эфф. кирально-инвариантного (с точностью до массовых поправок)лагранжиана. Псевдоскалярные поля, входящие в этот лагранжиан, преобразуютсяпри киральных преобразованиях нелинейным образом. Особое положение занимаетпри этом синглетный псевдоскалярный -мезон, аномалией и структуройфиз. вакуума.

Форма низкоэнергетич. мезонного лагранжиана диктуется киральной симметриейи характером её нарушения. При учёте соотношения алегбры, токов и аксиальноготока частичного сохранения такой лагранжиан позволяет вычислять длинырассеяния псевдоскалярных мезонов и характеристики их распадов. Барионыпри этом выступают как солитоны (см. Скирма модель).

В жёстких процессах, обусловленных С. в. на малых расстояниях, проявляетсятакже приближённая масштабная симметрия (скейлинг), т. е. инвариантностьотносительно растяжения координат (или импульсов) - масштабная инвариантность. Квантовая хромодинамика как теория сильного взаимодействия. С 1970-хIT. в физике утвердилась новая микроскопич. теория С. в.- КХД. Согласноэтой теории, С. в., к-рое, в частности, удерживает кварки в адронах, обусловленоналичием у кварков специфич. цветовых степеней свободы (дополнительно кароматам). Каждый кварк может находиться при этом в трёх физически эквивалентныхцветовых состояниях, или, как говорят, имеет три цвета. Антикварки обладаюттремя «дополнительными» цветами («антицветом»). С. в. разыгрывается в цветовомпространстве и не различает ароматов (в то время как эл.-магн. и слабоевзаимодействия определяются лишь ароматами кварков безотносительно к ихцвету). Взаимодействие кварков осуществляется посредством восьми безмассовыхвекторных (глюонных) полей, слабые возбуждения к-рых (отдельные их кванты)наз. глюонами. При этом в свободном состоянии наблюдаются толькобесцветные адроны, в к-рых цвета составляющих их кварков и антикварковскомпенсированы.

В основу КХД положен принцип локальной цветовой симметрии, к-рый утверждает, SU(3)_C, причём параметры групповых преобразованиймогут зависеть от точек пространства-времени. Такие теории наз. калибровочными. калибровочной инвариантности позволяет однозначнофиксировать лагранжиан хромодинамики, к-рый подобен электродинамич. лагранжиану, степени свободы. В результате напряжённости глюонногополя отличаются от напряжённостей электрич. и магн. полей электродинамикидополнительными нелинейными по калибровочному полю членами. Наличие нелинейныхчленов, необходимых для калибровочной инвариантности КХД, приводит к самодействию глюонов. Др. словами, глюоны обладают цветовыми заряда ми (в отличиеот фотонов, не обладающих электрич. зарядами). Это, в свою очередь, приводитк наиб. важному свойству КХД - эффекту антиэкранировки заряда, к-рый означает, эффективный заряд кварков и глюонов велик на больших расстоянияхи становится малым при уменьшении расстояний. Вследствие этого свойстваС. в. на малых и больших масштабах оказываются совершенно различными. Намалых расстояниях или при больших передаваемых импульсах [больше (2-3)ГэВ]эфф. цветовой заряд стремится к нулю. Это свойство получило назв. асимптотическойсвободы. Кварки и глюоны на малых расстояниях ведут себя как почтисвободные частицы, и все процессы с их участием можно рассчитывать по теориивозм5'щений, непосредственно используя исходный лагранжиан КХД. Массы кварков и,d, s при этом малы (токовые массы:МэВ,МэВ,МэВ), так что в первом приближении ими можно пренебречь. Из-за малостимасс л слабости взаимодействия на малых расстояниях имеют место приближённыекиральная и масштабная симметрии.

Такой подход позволяет успешно описывать обширный класс процессов физикивысоких энергий - жёсткие процессы. Классич. пример жёстких процессов - глубоко неупругий процесс рассеяния лептонов (электронов, структурные функции). Оказалось, напр., что при передаваемыхимпульсах порядка неск. ГэВ (т. е. при исследовании структуры кварков нарасстояниях порядка 10^-14 см) примерно половина импульса переноситсяглюонами. Учёт хромодинамич. поправок приводит к медленному изменению партонныхраспределений при изменении пробного импульса Q (нарушение т. н. Масштабная инвариантность). При увеличении Q можно проникнуть глубже внутрь кварка и должно наблюдаться увеличениечисла кваркантикварковых пар и глюонов, составляющих его поляризац. облако, Аналогично жёсткие адронные процессы с образованием струй можно истолковыватькак результат упругого рассеяния содержащихся в адронах кварков и глюоновс последующим их переходом в адроны. Особую проблему представляет при этомвопрос о механизме образования бесцветных адронов, входящих в состав струй. Важную роль в КХД играет спонтанное нарушение симметрии. Из-за усилениявзаимодействия на больших расстояниях нарушается присущая лагранжиану КХДприближённая масштабная инвариантность. При этом возникает характернаяшкала С. в. ~ 200 МэВ (соответствующая расстояниям~10^-13 см),о наличии к-рой свидетельствует появление ненулевого вакуумного среднего от следа тензора энергии-импульса глюонного поля. Др. словами, вакуумКХД (т. е. осн. состояние системы сильно взаимодействующих полей) населёнфлуктуирующими глюонными полями и имеет ненулевую (отрицательную) плотностьэнергии е и избыточное давление р по сравнению с «наивным» вакуумомтеории возмущений. Согласно существующим оценкам,- 0,5 ГэВ/(10^-13 см)³. Характер вакуумных флуктуацииостаётся не вполне ясным; возможно, что существ. роль здесь играют инстантоны. Спонтанно нарушается также присущая лагранжиану КХД приближённая киральнаясимметрия, о чём свидетельствует появление ненулевых вакуумных среднихот скалярных комбинаций, составленных из кварковых полей (кварковый вакуумныйконденсат). Др. словами, вакуум КХД населён также кварк-антикварковымипарами, дающими дополнит. отрицат. вклад в плотность энергии. Считается, Фигурирующие в КХД асимптотически свободная (на малых расстояниях) иудерживающая (на больших расстояниях) фазы кварк-глюонной материи должныпроявляться не только тогда, когда исследуется отклик системы на малыхи больших масштабах, но и как её возможные макроскопич. состояния: предполагается, кварк-глюонной плазмы, в к-рой кваркии глюоны взаимодействуют сравнительно слабо (так что вычисления можно проводитьпо теории возмущений). Ожидается, что необходимая для этого плотность энергиивсего в неск. раз превышает ядерную плотность, что примерно соответствуетплотности энергии внутри типичного адрона. Помимо ранней Вселенной в первые10^-5-10^-4 с её эволюции (см. Космология )и, нейтронных звёзд новое состояние материимогло бы образоваться при соударении тяжёлых ультрарелятивистских ионов. Имеются все основания считать, что качеств. физ. элементы микроскопич. Решётки, метод вКТП).

Лит.: Иден Р., Соударения элементарных частиц при высоких энергиях, жесткие процессы при высоких энергиях, М.,1981; Окунь Л. Б., Физика элементарных частиц, 2 изд., М., 1988; ИндурайнФ., Квантовая хромодинамика, пер. с англ., М., 1986. И. В. Андреев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.