Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Глюоны — переносчики сильного ядерного взаимодействия.

W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие

Сильное ядерное взаимодействие происходит между кварками. Благодаря этому взаимодействию объединяются верхние и нижние кварки, образуются протоны и нейтроны. А потом уже нейтроны и протоны с помощью сильного взаимодействия объединяются в ядра атомов.

Насколько сильнб сильное ядерное взаимодействие? Давайте сравним его с электромагнитным взаимодействием. Как вы, возможно, помните, дополнительных электронов на Луне и Земле, равных массе коровы, хватило бы, чтобы сделать электрические силы столь же мощными, как гравитационные силы между двумя небесными телами. И в то же время мы помним, что чем короче расстояние между зарядами, тем сильнее напряженность электрического поля. Каждый раз, когда расстояние между зарядами уменьшается вдвое, напряженность сил возрастает в четыре раза. Расстояние между двумя протонами в ядре атома — всего 10^-15 метров (одна миллионная нанометра), поэтому и отталкивающие электрические силы между протонами должны быть огромными. Тем не менее атомное ядро может содержать множество протонов, и, несмотря на огромные отталкивающие электрические силы, сильному ядерному взаимодействию удается преодолеть их и не дать ядру распасться. Недаром же его называют сильным.

Сильное взаимодействие происходит благодаря глюонным частицам. Глюоны обладают некоторыми забавными свойствами, которые, в свою очередь, делают ядерные взаимодействия уж очень особенными. На расстояниях около 10^-15 метров (типичном расстоянии между частицами в атомном ядре) сильное ядерное взаимодействие будет обладать притягивающими свойствами и помогать ядру удерживать все частицы вместе. Если мы попытаемся сжать ядро сильнее, то сильное взаимодействие внезапно станет отталкивающим. А если отойти на расстояние чуть больше 10^-15 метров, то это взаимодействие очень быстро ослабеет и станет совершенно незначительным. Таким образом, электромагнитные и гравитационные силы быстро начнут преобладать по мере увеличения расстояния между частицами ядра. Так что, если вам удастся отодвинуть протоны в атомном ядре немного дальше обычного, сильное ядернос взаимодействие резко потеряет контроль над ситуацией. Отталкивающиеся электрические заряды перейдут в наступление и разорвут атомное ядро в клочья. В некоторой степени это упрощенное описание того, что происходит на атомной электростанции.

Лично мне трудно представить себе сильное ядерное взаимодействие, не вспомнив ребенка, прилипшего влажным языком к холодному металлическому забору. В этой ситуации язык играет роль глюона. В отличие от сильного ядерного взаимодействия, силы, из-за которых ребенок прилип к холодному металлу, остаются, лишь пока язык полностью прилегает к поверхности. Стоит ребенку рывком вырваться из плена, удерживавшие его силы быстро исчезнут и станут незначительными.

Мы уже поняли, что гравитационные силы действуют между частицами, обладающими массой, а электромагнитные силы — между частицами с электрическим зарядом. Точно так же сильное взаимодействие существует только между частицами, имеющими то, что мы называем цветовым зарядом. Такое название не имеет никакого отношения к привычным нам цветам; это лишь способ описать характеристики некоторых частиц. Аналогия с цветами появилась из-за того, что существует три типа таких зарядов: красный, зеленый и синий. Таким образом, мы сопоставляем их с тремя основными доступными человеческому глазу цветами. Цветовой заряд бывает только у кварков и глюонов.

Стоит обратить внимание на то, что цветовой заряд имеют не только кварки, но и глюоны. Это означает, что глюоны, участвующие в сильном ядерном взаимодействии, способны, взаимодействуя, еще и влиять друг на друга. Это как если бы у фотонов были электрические заряды и они начали отталкивать и притягивать друг друга, излучая новые фотоны во время своего путешествия по космическому пространству. Это бы все только усложнило. И тот факт, что у глюонов есть цветной заряд, также частично объясняет, почему сильные ядерные взаимодействия ведут себя настолько странно.

Если мысленно вернуться к эпизоду с примерзшим языком ребенка, то на этот раз можно представить, что ребенок вырывается и отчаянно пытается освободиться от металлического забора. Тлюоны (язык) сами по себе имеют цветной заряд, а значит, способны самостоятельно образовывать новые глюоны — это все равно как если бы всё более отчаянные рывки ребенка привели к появлению новых языков. Чем сильнее ребенок тянет, тем больше появляется языков, которые еще сильнее приковывают ребенка к металлической поверхности.

Как вы понимаете, расстояния важны для фундаментальных сил. Расстояния также играют не последнюю роль в последнем из четырех фундаментальных взаимодействий, то есть слабом. Но, прежде чем мы приступим к его рассмотрению, давайте разберемся до конца с тремя другими взаимодействиями и посмотрим на радиус их действия:

• При расстояниях меньше 10^-15 метров: всем управляет сильное ядерное взаимодействие до тех пор, пока существуют частицы с цветовым зарядом. Электрические силы и гравитация свои пять копеек тут вставить особо не могут.

При расстояниях от 10^-15 метров до нескольких метров: во главе угла — электромагнитное взаимодействие. Расстояния становятся слишком большими для сильного ядерного взаимодействия, а силы гравитации слишком слабы, чтобы кто- то спрашивал их мнение.

При расстояниях от нескольких метров и выше: гравитационное взаимодействие становится все могущественнее. В таких масштабах большинство объектов имеет нулевой электрический заряд, и поэтому электромагнитное взаимодействие молчит в сторонке.Слабое взаимодействие

Слабое (ядерное) взаимодействие играет в физике ту же роль, что и саксофонное соло в песнях. Хотя оно, очевидно, не главный герой, но зато связывает все воедино и придает смысл. Без слабого взаимодействия Вселенную было бы не узнать, да и нас бы в ней не было. Кроме того, многое указывает на то, что слабое взаимодействие необходимо для понимания и открытия свойств частицы темной материи.

Слабое взаимодействие участвует в ряде процессов, происходящих в атомном ядре. Эти процессы, в частности, не дают нейтрону исчезнуть, превратившись в протон, электрон и так называемое антинейтрино. Этот процесс известен как бета-распад. Из-за возможности спонтанного бета-распада нейтроны — нестабильные частицы. Если нейтрон просто одиноко дрейфует в пространстве, то он, скорее всего, исчезнет в течение четверти часа. Следовательно, нейтроны не могут быть темной материей. Их двадцатипятиминутной жизни для этого просто недостаточно. Частицы темной материи же, в отличие от них, существовали еще до образования реликтового излучения и продолжают жить по сей день.

Что касается слабого взаимодействия, есть две частицы, так называемые W- и Z- бозоны, которые играют роль переносчиков энергии. Это взаимодействие происходит между всеми частицами, обладающими тем, что мы называем слабым изоспином, это свойство является своеобразным ответом слабого взаимодействия на электрический заряд электромагнетизма, цветовой заряд сильного взаимодействия и массу гравитационного. Все частицы вещества в Стандартной модели имеют слабый изоспин, позволяющий им влиять друг на друга посредством слабого взаимодействия.

Как мы видели, для других типов взаимодействий элементарных частиц характерны определенные масштабы, в пределах которых они действуют. А что насчет слабого взаимодействия? На какие масштабы распространяется его сила? Это взаимодействие проявляется на фантастически коротких расстояниях, примерно 10^-16 м, даже меньше, чем у сильного взаимодействия. Вряд ли вас это поразит, но все же слабое взаимодействие намного слабее сильного. Дальше — меньше. Именно слабое взаимодействие главенствует на экстремально коротких расстояниях. Но все же оно играет далеко не последнюю роль, отчасти потому, что оно взаимодействует с типом частиц, которые не участвует в электромагнитных или сильных взаимодействиях, — нейтрино.Время поговорить о нейтрино

Мы уже знаем, что нейтрино — это легкие невидимые частицы в Стандартной модели. Но нам нужно узнать побольше. Да простят меня фанаты бозона Хиггса, очарованного кварка и мюона, но нейтрино — крутейшие частицы в Стандартной модели. Они не просто крутые, но еще и прекрасный пример того, как чисто гипотетически может выглядеть темная материя. Ведь, как я уже говорил, по сути нейтрино и есть форма темной материи.

Но они могут составлять лишь мизерную часть всей темной материи. Должно быть что-то еще, что-то хотя бы отдаленно похожее на нейтрино.

Взгляните на свою руку. За считаные секунды через нее проходят несколько тысяч миллиардов нейтрино. Значительное число. И ведь вы этого даже не замечаете. Большинство нейтрино, с которыми мы пересекаемся на Земле, образовались в ходе ядерных реакций в центре Солнца. Но также существует неисчислимое количество нейтрино, парящих в космосе еще с момента Большого взрыва. После фотонов нейтрино — самые распространенные частицы во Вселенной. У нейтрино нет ни электрического, ни цветового зарядов, и поэтому чихать они хотели на электромагнитное и сильное ядерное взаимодействия. А вот слабое взаимодействие они уважают.

Из-за небольшого радиуса влияния слабого взаимодействия нейтрино сталкиваются с обычной материей крайне редко. И раз уж нейтрино признают только слабое взаимодействие, то смогут столкнуться с атомом, лишь попав в область, составляющую менее одной миллионной части всего атома. Поэтому, когда нейтрино пролетает сквозь вашу ладонь, это похоже на бросание песчинки в сито с километровыми отверстиями. Вероятность того, что песчинка ударится об один из прутиков решетки, становится близка нулю. Вероятность столкновения зависит, помимо прочего, оттого, насколько быстро движутся нейтрино. Это немного похоже на автомобиль: чем больше скорость, тем выше вероятность столкновения. Нейтрино, образовавшиеся во время Большого взрыва и заполнившие Вселенную, в среднем без столкновений проходят сквозь брусок свинца толщиной в световой год.

Призрачные свойства нейтрино впервые заметил физик Вольфганг Паули. При изучении бета-распада Паули понял, что без новой частицы не получится логически связать описание процесса.

Поэтому в 1930 году он постулировал новую частицу — нейтрино. Чтобы просто взять и придумать для решения проблемы новую частицу, нужна, наверное, неплохая интуиция. Поговаривают, что он даже заявил следующее: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Я предположил нечто, чего никогда нельзя будет проверить экспериментально, потому что эта частица взаимодействует настолько слабо, что ее никогда не удастся увидеть».

Но тут Паули ошибся. В 1956 году физикам Клайду Коуэну и Фредерику Райнесу удалось впервые обнаружить нейтрино экспериментальным путем. Они устроили хитроумный эксперимент с ядерным реактором. В ядерных реакторах образуется очень много нейтрино высокой энергии, поэтому их детектор просто бомбардировало невероятное количество яростных нейтрино. Подавляющее большинство нейтрино, естественно, прошло через эксперимент незамеченными. Тем не менее оказалось, что в среднем три нейтрино в час сталкиваются с материалом внутри детектора. Такие столкновения привели к небольшой серии реакций, которые в конечном счете привели к гамма-излучению — его и заметили Коуэн и Райнес. С тех пор нейтрино наблюдали в бесчисленных экспериментах.