Главной особенностью элементарных частиц является их способность преобразовываться с одной в другую. Самым характерным фактором у физике элементарных частиц является рождение частиц определенного вида при столкновении частиц другого вида. Элементарные частицы участвуют в процессах упругих и неупругих рассеиваний, реакциях распада.
Различные процессы с элементарными частицами существенно отличаются по интенсивности их протекания, по той причине, что они отличаются видом взаимодействия.
В наше время в природе известно четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие происходит между адронами, оно удерживает нуклоны в атомных ядрах. Электромагнитное взаимодействие обусловливает силы притяжения между ядрами и электронами, благодаря этим силам существуют атомы и молекулы. К электромагнитному взаимодействию сводятся силы упругости, трения, поверхностного натяжения и др. ими определяется агрегатное состояние вещества и химические преобразования, электрические, магнитные и оптические явления. Слабое взаимодействие вызывают $\beta $ -- распад радиоактивных ядер и вместе с электромагнитными силами определяют поведение заряженных лептонов. Распады большинства нестабильных частиц так же обусловлены слабым взаимодействием. Нейтральные лептоны (нейтрино и антинейтрино) не участвуют в электромагнитном взаимодействии. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам.
Об интенсивности приведенных взаимодействий можно судить со скорости процессов, что возникают при этих взаимодействиях. Для сравнения берут скорость столкновения частиц, кинетическая энергия которых приблизительно равняется $1$ ГэВ. Такие энергии характерные для физики элементарных частиц. При этих энергиях процессы, обусловлены сильным взаимодействием, происходят за время приблизительно ${10}^{-23}$ с, электромагнитное взаимодействие -- около ${10}^{-10}$ с и слабое - ${10}^{-9}$с. Другой величиной, характеризирующей интенсивность взаимодействия, является длинна свободного пробега частицы в веществе. Частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях с энергией порядка $1$ ГэВ, можно задержать железной плитой в несколько десятков сантиметров. Нейтрино с энергией $10$ МэВ (такой энергией обладает антинейтрино, полученное в атомном реакторе), каким свойственно только слабое взаимодействие, удерживается слоем железа толщиной не менее ${10}^9\ $км.
Сильные и слабые взаимодействия проявляются только на малых расстояниях. Радиус действия сильных взаимодействий имеет порядок ${10}^{-15}$ м, а слабых - $2\cdot {10}^{-18}$ м. электромагнитные силы наоборот, являются дальнедействующими. Они уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. По этой причине соотношение электромагнитных и гравитационных сил не зависит от расстояния между взаимодействующими частицами. Для одного и того же расстояния оно равно $F_{эл}/F_{гр}=e_1e_2/{4\pi \varepsilon }_0Gm_1m_2$, где $G$ -- гравитационная постоянная; $e_1{\ и\ e}_2$, $m_1\ и\ m_2$ -- соответственно заряды и массы частиц. Для взаимодействия двух протонов $F_{эл}/F_{гр}\approx 1,23\cdot {10}^{36}$. Поскольку гравитационное взаимодействие чрезмерно мало, поэтому в физике микромира, на уровне современных представлений оно не учитывается. Но в макромире при рассмотрении движения больших масс (галактики, звезды, планеты), а так же небольших макроскопических тел в поле тяготения этих масс гравитационное взаимодействие стает определяющим, особенно ключевую роль гравитационное взаимодействие играет в процессах формирования и эволюции звезд. Гравитационные силы всегда являются силами тяготения. С увеличением массы тел которые взаимодействуют, гравитационное взаимодействие между ними увеличивается пропорционально массе обеих тел. Этого не происходит при электрическом взаимодействии макроскопических тел, поскольку отрицательно и положительно заряженные частицы, которые входят в состав этих тел, нейтрализуют одна одну. По этой причине электрические силы существенно не влияют на движение тел больших масс, хоть при взаимодействии тел, которые состоят только с положительно заряженных частиц или только с отрицательно заряженных частиц, они существенно превышают гравитационные.
В классической физике считается, что взаимодействия между телами передается с конечной скоростью с помощью соответствующих силовых полей. Таким образом, электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое в месте расположения второго заряда действует на него с определенной силой. Так же,, но через другие силовые поля, осуществляются все взаимодействия в природе. Квантовая физика не вносит изменения в эти представления, но учитывает квантовые свойства самого поля. Через корпускулярно-волновой дуализм любому полю должна соответствовать некоторая частица (квант поля), которая и является носителем взаимодействия. Одна из взаимодействующих частиц выпускает квант поля, другая его поглощает. В этом и состоит механизм взаимодействия частиц. В случае электромагнитных взаимодействий квантами поля, т.е. носителями взаимодействий, являются фотоны. В случае сильных взаимодействий носителями взаимодействия являются глюоны, которые связывают кварки и пионы, которые в свою очередь связывают нуклоны в ядре; в случае слабых взаимодействий - $W^{\pm }\ и\ Z^0$ - промежуточные векторные бозоны, существование которых предполагалось теоретически и открыто экспериментально в $1983$ г. Для гравитационного взаимодействия носителями взаимодействия являются гипотетические гравитоны.
Для получения более полной информации о взаимодействии элементарных частиц нам необходимы некоторые представление о структуре и механизме протекания реакций и распадов. Независимо от того, что теория этой цепочки явлений пока не создана, много отдельных деталей можно выяснить с соотношений неопределенности Гейзенберга для координат и импульса, а так же для энергии и времени.
Если квант поля существует на протяжении короткого промежутка времени $\triangle t$, необходимого для передачи взаимодействия, то, пользуясь соотношением неопределенности Гейзенберга для энергии-времени, энергия кванта не может быть определена точно. Это значит, что для таких промежутков времени не можно использовать закон сохранения энергии или, для частиц, которые являются носителями взаимодействия, нарушается обычная связь между энергией и импульсом. Поэтому их называют не просто частицами, а виртуальными частицами или виртуальными квантами поля. С таких виртуальных квантов, которые выпускаются и поглощаются реальными частицами, состоит силовое поле, которое их окружает. Электрическое поле, которое окружает электрический заряд, состоит с виртуальных фотонов, которые поглощаются и излучаются. Процесс излучения и поглощения виртуальных частиц называют так же виртуальным.
Отметим, что виртуальные частицы непосредственно не воспринимаются. Каждая частица является источником некоторого поля. Например, электрон -- источник электромагнитного поля. Согласно корпускулярно-полевом дуализме любому полю соответствуют частицы, которые являются квантами этого поля. Масса этих частиц может равняться нолю, как у фотона, но может и отличатся от нуля. Свободная частица, на основании законов сохранения энергии и импульса, не может излучать реальный квант поля, поскольку для этого необходима энергия, которая должна быть не меньше ${mc}^2$. С представлений классической физики такие процессы невозможны без введения внешней энергии. Квантовая физика, используя соотношения неопределенности Гейзенберга для энергии и времени, допускает возможность протекания таких процессов для малых промежутков $\triangle t$, необходимых для передачи взаимодействия. Для получения необходимой энергии $\triangle \varepsilon ={mc}^2$, необходимо время $\triangle t\approx \hbar /{mc}^2$. За это время виртуальная частица не может распространится на расстояние больше чем
\[R=c\triangle t=\frac{\hbar }{mc}.\]Это расстояние называют радиусом действия, перенесённое виртуальной частицей. С формулы видим, что чем меньше масса $m$, тем больше радиус действия частицы, перенесенной виртуальной частицы.
Электромагнитное взаимодействие совершается обменом фотонами. Масса фотона $m=0$, поэтому радиус действия электромагнитных сил $R\to \infty $, т.е. эти силы являются силами дальнего действия. Силами дальнего действия так же являются гравитационные силы, передача которых осуществляется гипотетическими гравитонами. На основании того, что гравитационные силы дальнедействующие, можно спрогнозировать, что масса гравитона должна равняться нулю.
Как отмечалось, слабое взаимодействие переносится промежуточными $W^{\pm }\ и\ Z^0$ -- бозонами. По экспериментальным данным масса бозонов приблизительно равна 80 и 90 ГэВ соответственно. На основании этих значений можно оценить радиус $R$ действия слабых сил. Для оценки возьмем $W^{\pm }$ - бозоны, т.к. масса их меньше, а значит радиус действия больше. Приняв ${mc}^2=80\ ГэВ$, $\hbar c=1,973\cdot {10}^{-5}\ Эв\cdot см$, получаем $R=2,5\cdot {10}^{-16}$ см.
Для описания виртуальных процессов используют графический метод, разработанный Р. Фейнманом для описания механизму процессов у квантовой электродинамике. Метод Фейнмана дает возможность не только графически изобразить, но и рассчитать сечение любых процессов. По этому методу каждую частицу изображают линией: тонкой сплошной -- любой фермион, волнистой -- фотон ($\gamma $ -- фотон), штриховой -- мезон. В точках где заканчивается или начинается фотонная линия происходит излучение или поглощение. Для примера показано диаграмму Фейнмана эффекта Комптона ($\gamma ,\ e^-$ - падающий $\gamma $ -- квант и электрон; ${\gamma }'\ и\ e^2_1$ -- рассеянный $\gamma $ -- квант и электрон).
Рисунок 1.
