Spēcīgā mijiedarbība (stiprais spēks): kvarki, gluoni un QCD
Iepazīstieties ar spēcīgo mijiedarbību: kvarki, gluoni un QCD — kā gluoni sasaista kvarkus, veido hadronus un nosaka krāsu noslēgtību.
Spēcīgā mijiedarbība (jeb spēcīgais kodols) ir viens no četriem fundamentālajiem spēkiem. Pārējās ir elektromagnētisms, vājā mijiedarbība un gravitācija. Tos sauc par fundamentālajiem spēkiem, jo tos nevar padarīt vienkāršākus un tie apraksta visas zināmās mijiedarbības starp elementārdaļiņām.
Lielāko daļu parastās matērijas satur kopā spēcīgais kodols. Lai gan tas ir visspēcīgākais fundamentālais spēks — aptuveni 1038 reižu spēcīgāks par gravitāciju — tas darbojas tikai ļoti īsā attālumā, aptuveni dažu femtometru (1 fm = 10−15 m). Šī īsā darbības rādiusa dēļ spēcīgā mijiedarbība nosaka kodolu un hadronu (piem., protonu un neitrona) Īpašības un struktūru.
Krāsu spēks un kodola spēks
Zinātnieki spēcīgo mijiedarbību bieži iedala divās aspektuālās līmeņos:
- Krāsu spēks — darbība ļoti mazos attālumos (un saskaņā ar QCD), kas satur kopā kvarkus hadronos. Tas darbojas aptuveni 0,8 fm un mazākā attālumā, veidojot protonus, neitronus un citus hadronus.
- Kodola spēks — reziduāla spēcīgās mijiedarbības izpausme starp hadroniem attālumā aptuveni 1–3 fm, kas satur kopā atomu kodolus. Šo spēku bieži sauc arī par stipro kodola mijiedarbību vai vienkārši “nukleāro spēku”.
Kvarki, gluoni un krāsu lādiņš
Bieži tiek uzskatīts, ka spēcīgo mijiedarbību kontrolē gluoni, kas "salīmē" kvarkus kopā. Gluoni ir starpniekdaļiņas (līdzīgi fotoniem elektromagnētismā), taču gluoniem pašiem piemīt arī krāsu lādiņš, tāpēc tie var savstarpēji mijiedarboties. Šī gluonu savstarpējā mijiedarbība ir galvenais iemesls spēcīgās mijiedarbības neparastajām īpašībām.
Krāsu lādiņš nav tieši saistīts ar redzamajām krāsām — tas ir nosaukums kvantu īpašībai, kas QCD spēlē lomu tādā pašā veidā, kā elektriskais lādiņš spēlē lomu elektromagnētismā. Kvarkiem pastāv trīs "krāsas" (bieži sauktas par sarkanu, zaļu un zilu) un antikvarkiem atbilstošas anti‑krāsas. Hadroni kopumā ir „krāsu neitrāli” (piem., baryoni satur trīs kvarkus ar visām trim krāsām, mezoni — kvarku un antikvarku pāri ar pretējām krāsām).
Kvantu hromodinamika (QCD)
Kvantu hromodinamikas (QCD) teorija apraksta mijiedarbības starp kvarkiem un gluoniem. Formāli QCD ir kvantu laukumu teorija ar ģauges simetriju SU(3), kurā gluoni darbojas kā ģauzes (gauge) lauka kvanti. No QCD izriet divas īpaši svarīgas parādības:
- Asimptotiskā brīvība — pie ļoti īsiem attālumiem (augstā enerģijā) kvarki un gluoni mijiedarbojas vājāk; tas ļauj izmantot perturbatīvās metodes eksperimentālu procesu aprakstīšanai. Par šo atklājumu 2004. gadā tika piešķirta Nobela prēmija (Gross, Politzer, Wilczek).
- Krāsu noslēgtība (confinement) — pie lielākiem attālumiem spēka stiprums nevis mazinās, bet pastiprinās, līdz ar to kvarkus un gluonus brīvi neredzam: tie vienmēr ir saistīti hadronos. Mēs novērojam tikai krāsu neitrālas kombinācijas (piem., protonus, neitronus, mezonus).
Gluonu un kvarku īpašības
Gluonu ir astoņas neatkarīgas sugas (saistīts ar SU(3) ģauzes grupas struktūru). Tie nes krāsu lādiņu un tādēļ var apmainīties ar lādiņu starp kvarkiem, antikvarkiem un citiem glioniem. Kvarkiem ir dažādas "garšas" (flavors) — piemēram, up, down, strange, charm, bottom un top — un katram ir sava masa un krāsu lādiņi.
Svarīgs QCD rādītājs ir stipruma constants alpha_s (stiprās mijiedarbības “lādiņa”), kas mainās ar enerģijas skalu (t. s. running coupling). Pie lielas enerģijas (īsiem attālumiem) alpha_s kļūst maza — tas ir asimptotiskās brīvības pamats. Pie zemas enerģijas (lieli attālumi) alpha_s kļūst liela, kas noved pie krāsu noslēgtības.
Kodola spēks un atomu kodoli
Starp hadroniem spēcīgā mijiedarbība izpaužas kā kodola spēks. Šis spēks nav tiešā QCD spēka vienkārša pārnešana — to var uzskatīt par QCD reziduālu, kas rodas, piemēram, no mezonu apmaiņas starp nukleoniem. Historiski Yukawa modelis aprakstīja kodola spēku kā pionu apmaiņu; mūsdienu izpratnē tā izriet no sarežģītām kvarku‑gluonu mijiedarbībām.
Kodola spēks ir atbildīgs par to, kā protoni un neitroni saistās atomu kodolos, pārsvarā pārvarot elektrostatisko atgrūšanos starp protoniem. Tas nosaka kodola stabilitāti, kodolu masas, sašķelšanu un kodolreakciju īpašības.
Pētījumi, eksperimentālā pārbaude un pielietojumi
QCD tiek pārbaudīta ar daudziem eksperimentiem: deep inelastic scattering mērījumiem, hadronu ražošanu augstas enerģijas akseleratoros (piem., CERN LHC), un ar kodolu fizikas eksperimentiem. Mūsdienās arī liela loma ir lattice QCD — skaitliskai pieejai, kur QCD tiek aprēķināta diskretizētā telpas‑laika režģī, kas ļauj iegūt tiešas prognozes, piemēram, hadronu masas un spraudu stabilitātes.
Augstās enerģijas eksperimentos ir radīta stāvokļa viela, ko sauc par kvarku‑gluonu plazmu — tāda viela, kur kvarki un gluoni īslaicīgi atbrīvojas no hadronu robežām, tas tiek pētīts RHIC un LHC sadursmēs. Šie pētījumi palīdz saprast Visuma agrīnos posmus pēc Lielā sprādziena.
Kopsavilkums
Spēcīgā mijiedarbība ir centrāla matērijas struktūras saprašanā: no kvarku un gluonu mijiedarbībām rodas hadroni, no hadronu reziduālajām mijiedarbībām rodas atomu kodoli. QCD kā teorija sniedz piesātinātu, bet sarežģītu aprakstu ar tādām īpašībām kā asimptotiskā brīvība un krāsu noslēgtība. Pētījumi gan teorētiski (piem., lattice QCD), gan eksperimentāli turpina paplašināt mūsu izpratni par šo fundamentālo spēku.
Krāsu stiprs spēks
Spēcīgais spēks ir kodolspēks, kas darbojas starp trim kvarkiem, no kuriem sastāv protons vai neitrons. To sauc par krāsu stipro spēku, jo, tāpat kā elektromagnētiskajam spēkam, arī stiprajam spēkam ir lādiņi. Galvenā atšķirība ir tā, ka elektromagnētiskajam spēkam ir tikai viens lādiņš (magnētiskie lādiņi ir tikai lēni kustīgi elektriskie lādiņi), bet stiprajam spēkam ir trīs. Šo trīs lādiņu veidu nosaukumi ir krāsu nosaukumi: sarkans, zils un zaļš. Tiem ir arī pretkrāsas: pret sarkano, pret zilo un pret zaļo. Tāpat kā elektromagnētiskā spēka gadījumā pretējas krāsas pievelkas, bet vienādas krāsas - atgrūžas. Dažas daļiņas, kurām ir krāsu lādiņš, ir kvarki un antikvarki. Kvarka veids nav nekādā veidā saistīts ar kvarka krāsu lādiņu. Kvarki ir vienas no mazākajām pašlaik cilvēkam zināmajām daļiņām; tie neaizņem vietu, jo ir punkti, un ir vienīgās daļiņas, kuras mums vēl nav izdevies sadalīt no citām daļiņām. Faktiski tas ir tāpēc, ka spēcīgā spēka daba starp daļiņām ir tāda, ka tas kļūst jo spēcīgāks, jo tālāk atrodas daļiņas. Stiprā spēka nesēju sauc par glionu. Gluoniem ir arī krāsu lādiņš. Gan kvarkiem, gan gluoniem piemīt īpašības, kas padara tos unikālus salīdzinājumā ar citām daļiņām.
· 
Trīs kvarkrāsas (sarkana, zaļa, zila). Tās apvienojas, lai būtu baltas jeb bezkrāsainas.
· 
Trīs kvarkrāsu antikrāsas (anti-sarkanā, anti-zaļā, anti-zilā). Tie arī apvienojas, lai būtu bezkrāsaini; melnā krāsā, ja runa ir par fizisku vielu vai pigmentiem.
· 
Starp protonu un neitronu tiek pārvietots spēcīgais spēks, izmantojot glionus.
Kodolspēks
Kodola spēks jeb atlikušais (atlikušais) stiprais spēks ir stiprais spēks, kas darbojas starp hadroniem (daļiņām, kas sastāv no diviem vai trim kvarkiem, piemēram, protoniem un neitroniem). Tas ir tas, kas satur kopā atoma kodolu.
Saistītās lapas
- Daļiņu fizika
- Izotops
- Kodolfizika
Jautājumi un atbildes
J: Kādi ir četri fizikas pamatspēki?
A: Četri fizikas pamatspēki ir elektromagnētisms, vājā mijiedarbība, gravitācija un spēcīgais kodols.
J: Ar ko spēcīgais kodola spēks atšķiras no citiem fundamentālajiem spēkiem?
A: Stiprais kodolsspēks ir daudz spēcīgāks par gravitāciju (1038 reizes spēcīgāks), bet tas darbojas tikai ļoti nelielos attālumos, proti, dažos femtometros (fm). Tas satur kopā tādas subatomārās daļiņas kā neitronus un protonus, kā arī notur kopā atoma kodolu.
J: Kas ir kvantu hromodinamika?
A: Kvantu hromodinamika (QCD) ir teorija, kas izskaidro dažādas krāsas. Tajā teikts, ka stiprais spēks darbojas starp kvarkiem un gluoniem.
J: Kā darbojas krāsu ierobežošana?
A: Krāsu ierobežošana notiek tad, ja kvarka atdalīšanai būtu nepieciešams tik daudz enerģijas, ka tā vietā tiktu radīti jauni hadroni. Šo parādību var novērot daļiņu paātrinātājos.
J: Kādām daļiņām ir krāsu lādiņš?
A: Kvarki, antikvarki un gluoni ir ar krāsu lādiņu, kas ir līdzīgs elektriskajam lādiņam.
J: Kā daļiņas ar krāsu lādiņu mijiedarbojas savā starpā?
A: Daļiņas ar krāsu lādiņu savā starpā apmainās ar glioniem, tāpat kā daļiņas ar elektrisko lādiņu savā starpā apmainās ar fotoniem.
J: Kas notiek, kad divi hadroni, kas sastāv no kvarkiem, mijiedarbojas savā starpā?
A: Kad divi hadroni, kas sastāv no kvarkiem, mijiedarbojas viens ar otru, šo spēcīgā spēka iedarbību sauc par kodola spēku (kas nav fundamentāls spēks).
Meklēt