Stiprioji sąveika — apibrėžimas: kvarkai, gliuonai ir QCD
Sužinokite apie stipriąją sąveiką: kvarkus, gliuonus, spalvinį krūvį ir QCD — kodėl laisvų kvarkų nematome ir kaip veikia branduolinė jėga.
Stiprioji sąveika (arba stiprioji branduolinė jėga) yra viena iš keturių pagrindinių fizikos sąveikų. Kitos trys yra elektromagnetizmas, silpna sąveika ir gravitacija. Šios jėgos vadinamos fundamentaliosiomis, nes jų negalima paaiškinti kaip išvestinių kitų, paprastesnių jėgų.
Veikimo sritis ir stiprumas
Stiprioji sąveika yra pati galingiausia iš fundamentalių jėgų: jos dydis trumpais atstumais viršija gravitaciją maždaug 1038 kartų. Tačiau ji veikia labai trumpu atstumu — tipo dydžiuose, lygiais keliems femtometrams (1 fm = 10−15 m). Mažuose atstumuose (maždaug 0,8 fm ir mažiau) stiprioji sąveika laiko kartu kvarkus ir kitas subatomines daleles. Ilgesniu — maždaug 1–3 fm — atstumu liekanti, vadinamąja branduoline jėga, yra atsakinga už atomų branduolių sandarą: ji laiko kartu protonus ir neutronus branduolyje.
Kvarkai, gliuonai ir spalvos
Stipriąją sąveiką suprantame per kvantinės chromodinamikos (QCD) teoriją — kvarkų ir gliuonų sąveikos teoriją. Kvarkai turi vadinamąjį spalvinį krūvį (trijų „spalvų“ sistema), kuri yra analogiška elektriniam krūviui, tačiau sudėtingesnė: spalvų yra trys (ir atitinkamos antispalvos), o teorinis pagrindas yra neabelinė gauge simetrija SU(3). Gliuonai yra sąveikos nešėjai — jie perneša spalvinį krūvį tarp kvarkų.
Svarbu: skirtingai nuo fotonų elektrodinamikoje, gliuonai patys neša spalvinį krūvį, todėl jie gali tiesiogiai sąveikauti vieni su kitais. Ši gliuonų savarankiška sąveika lemia keletą ypatingų QCD bruožų, pvz., konfinementą (spalvų apribojimą) ir asimptotinį laisvumą.
Konfinementas ir asimptotinis laisvumas
Kvarkai niekada nepasirodo laisvai kaip izonuose spėjama elementariosios dalelės; jie visada yra surišti į hadronus (pvz., baryonus ir mezonus). Šis reiškinys vadinamas spalvų apribojimu. Kita vertus, kai kvarkai yra labai arti vienas kito (aukštos energijos arba trumpi atstumai), stipriosios sąveikos stipris mažėja — tai vadinama asimptotiniu laisvumu. Šių dviejų savybių derinys paaiškina, kodėl kolizijų metu matome kvarkų/egzotiškų dalelių „jetus“, bet ne atskirus kvarkus.
Branduolinė jėga kaip likutinė sąveika
Branduolinė jėga, kuri laiko kartu nukleonus branduolyje, yra stipriosios sąveikos likutinis poveikis: kvarkų ir gliuonų tarpusavio sąveikų rezultatas. Istoriškai jėga tarp nukleonų aprašyta kaip mezonų (ypač pionų) mainai — tai vadinama Yukawa mechanizmu — tačiau pilnesnis paaiškinimas gaunamas per QCD.
Teorinės ir eksperimentinės įrankiai
- QCD yra neabelinė gauge teorija su grupe SU(3) — tai reiškia, kad gliuonų skaičius ir savybės nustatomos šios simetrijos (yra aštuoni gliuonų tipai).
- Vyrauja dvi reikšmingos sąvokos: running coupling (priklausomybė nuo energijos skalės) ir beta funkcija, kurios paaiškina, kodėl slopsta arba didėja sąveikos stiprumas prie skirtingų energijų.
- Lattice QCD (tinklo QCD) yra skaitmeninis metodas, leidžiantis skaičiuoti hadronų mases ir kitas savybes iš QCD Lagrandžiano, naudojant didelių kompiuterių skaičiavimus.
- Eksperimentai, tokie kaip gilus atominės sklaidos tyrimai (deep inelastic scattering), dalių greitintuvų kolizijos ir sunkiojo jonų susidūrimai, suteikė reikšmingų įrodymų kvarkų ir gliuonų egzistavimui bei leidžia tirti kvarkų–gliuonų srautą (quark–gluon plasma) aukštoje temperatūroje.
Hadronai: baryonai ir mezonai
Hadronai yra susietų kvarkų sistemos: baryonai susideda iš trijų kvarkų (pvz., protonas, protonas ir neutronas), o mezonai — iš kvarko ir antikvarko poros. Hadronai yra spalviškai neutralūs: jų viduje susijungusios spalvos sukuria „baltą“ (neutralų) būvį, todėl išorėje nematomas atskiras spalvinis krūvis.
Fizinė reikšmė ir taikymai
Stiprioji sąveika lemia daugelį kasdieniškų dalykų: ji suteikia stabilumą atomų branduoliams, todėl egzistuoja įprastinė medžiaga, bei smarkiai prisideda prie protonų ir neutronų masių per QCD energetinį indėlį. QCD tyrimai turi praktinių reikšmių branduolinei fizikai, dalelių fizikai ir astrofizikai (pvz., neutrinės žvaigždės centrai ir kvarkų žvaigždžių modeliai).
Santrauka: stiprioji sąveika — tai QCD aprašoma, spalvinį krūvį perduodanti jėga, kurių nešėjai yra gliuonai ir kuri veikia kvarkus. Jos savybės — konfinementas, asimptotinis laisvumas ir gliuonų savarankiškumas — daro ją unikalia tarp fundamentaliųjų sąveikų ir pagrindine jėga, formuojančia vidinę materijos struktūrą.
Spalva stiprioji jėga
Spalvotoji stiprioji jėga yra branduolinė jėga, kuri veikia tarp trijų kvarkų, iš kurių sudarytas protonas arba neutronas. Ji vadinama spalvotąja stipria jėga, nes, kaip ir elektromagnetinė jėga, stiprioji jėga turi krūvius. Pagrindinis skirtumas tas, kad elektromagnetinė jėga turi tik vieną krūvį (magnetiniai krūviai yra tik lėtai judantys elektros krūviai), o stiprioji jėga - tris. Šių trijų tipų krūviai pavadinti pagal spalvas: raudona, mėlyna ir žalia. Jie taip pat turi ir antikrovinius krūvius: antiraudonąjį, antimėlynąjį ir antižaliąjį. Kaip ir elektromagnetinėje jėgoje, priešingos spalvos traukia, o vienodos - atstumia. Kai kurios spalvinį krūvį turinčios dalelės yra kvarkai ir antikvarkai. Kvarko tipas visiškai nesusijęs su to kvarko spalviniu krūviu. Kvarkai yra vienos mažiausių šiuo metu žmonėms žinomų dalelių; jie neužima vietos, nes yra taškiniai, ir vienintelės dalelės, kurių dar nesugebėjome išskaidyti iš kitų dalelių. Taip yra todėl, kad stiprioji jėga tarp dalelių pasižymi tuo, kad ji tampa tuo stipresnė, kuo labiau dalelės nutolusios viena nuo kitos. Stipriosios jėgos nešėjas vadinamas gluonu. Gliuonai taip pat turi spalvinį krūvį. Ir kvarkai, ir gluonai turi savybių, dėl kurių jie skiriasi nuo kitų dalelių.
· 
Trys kvarkų spalvos (raudona, žalia, mėlyna). Jos susijungia į baltą arba bespalvę spalvą
· 
Trys kvarkų antipalvos (antiraudona, antižalia, antimėlyna). Jie taip pat jungiasi, kad būtų bespalviai; juoda spalva, kai kalbama apie fizinę medžiagą arba pigmentus.
· 
Stiprioji jėga juda tarp protono ir neutrono per gliuonus
Branduolinė jėga
Branduolinė jėga, arba liekamoji (likutinė) stiprioji jėga, yra stiprioji jėga, veikianti tarp hadronų (dalelių, sudarytų iš dviejų ar trijų kvarkų, pvz., protonų ir neutronų). Būtent ji laiko atomo branduolį kartu.
Susiję puslapiai
- Dalelių fizika
- Izotopas
- Branduolinė fizika
Klausimai ir atsakymai
K: Kokios yra keturios pagrindinės fizikos jėgos?
Atsakymas: Keturios pagrindinės fizikos jėgos yra elektromagnetizmas, silpna sąveika, gravitacija ir stiprioji branduolinė jėga.
K: Kuo stiprioji branduolinė jėga skiriasi nuo kitų fundamentaliųjų jėgų?
A: Stiprioji branduolinė jėga yra daug stipresnė už gravitaciją (1038 kartus stipresnė), tačiau ji veikia tik labai mažais atstumais - keliais femtometais (fm). Ji sulaiko subatomines daleles, pavyzdžiui, neutronus ir protonus, taip pat palaiko atomo branduolį.
K: Kas yra kvantinė chromodinamika?
A: Kvantinė chromodinamika (QCD) yra teorija, paaiškinanti skirtingas spalvas. Joje teigiama, kad stiprioji jėga veikia tarp kvarkų ir gliuonų.
K: Kaip veikia spalvų apribojimas?
A: Spalvų sulaikymas atsiranda tada, kai norint atskirti kvarką reikėtų tiek daug energijos, kad vietoj jo būtų sukurti nauji hadronai. Šį reiškinį galima pastebėti dalelių greitintuvuose.
K: Kokios dalelės turi spalvinį krūvį?
A: Kvarkai, antikvarkai ir gliuonai turi spalvinį krūvį, kuris yra panašus į elektros krūvį.
K: Kaip spalvotąjį krūvį turinčios dalelės sąveikauja tarpusavyje?
A: Spalvotąjį krūvį turinčios dalelės tarpusavyje keičiasi gliuonais, panašiai kaip elektros krūvį turinčios dalelės tarpusavyje keičiasi fotonais.
K: Kas atsitinka, kai du hadronai, sudaryti iš kvarkų, sąveikauja tarpusavyje?
Atsakymas: Kai du hadronai, sudaryti iš kvarkų, sąveikauja tarpusavyje, šis stipriosios jėgos poveikis vadinamas branduoline jėga (kuri nėra fundamentalioji).
Ieškoti