ურთიერთქმედება (ფიზიკა)

ურთიერთქმედება — ნაწილაკთა ან სხეულთა ურთიერთქმედება, რის შედეგად იცვლება მათი მოძრაობის მდგომარეობა. კლასიკურ ფიზიკაში სხეულის ურთიერთქმედების სიდიდე ხასიათდება ძალით ან პოტენციური ენერგიით. თავდაპირველად ფიზიკაში დამკვიდრდა შორსქმედების კონცეფცია, რომლის თანახვად, ურთიერთქმედება სიცარიელეში მეყსეულად რაგინდ დიდ მანძილებზე გადაეცემა. ელექტრომაგნიტური ველის აღმოჩენის შემდეგ ეს კონცეფცია შეცვალა ახლოქმედების კონცეფციამ, რომლის თანახმად, ურთიერთქმედება ხორციელდება იმ შუალედური რგოლების (ან გარემოს) მეშვეობით, რომლებიც ურთიერთქმედებას გადასცემენ წერტილიდან წერტილამდე სასრული სიჩქარით, ე. ი. ამ კონცეფციის თანახმად ურთიერთქმედება ხორციელდება „შუამავლით“ უწყვეტად განაწილებულ მთელ სივრცეში ამა თუ იმ ველით (მაგალითად, გრავიტაციული ურთიერთქმედება — გრავიტაციული ველის მეშვეობით). XX საუკუნეში ეს წარმოდგენები შეცვალა კვანტურმა მექანიკამ, რომლის თანახმად ნებისმიერი ველი დისკრეტულია და ნაწილაკთა ან სხეულთა ურთიერთქმედება აიხსნება მათ შორის ველების კვანტების ურთიერთგაცვლით (ველის კვანტური თუორია).

სხეულთა ურთიერთქმედების ნაირსახეობის მიუხედავად, ბუნებაში არსებობს ოთხი ფუნდამენტური ურთიერთქმედება: გრმელქმედი — გრავიტაციული და ელექტრომაგნიტური და მოკლექმედი — ძლიერი (მოქმედების რადიუსი R_S=10^-13 სმ) და სუსტი (მოქმედების რადიუსი R_W=10^-16 სმ). ურთიერთქმედების სიძლიერეს ახასიათებს ე. წ. ურთიერთქმედების მუდმივა, ხოლო ინტენსიურობას (ეფექტურ განივკვეთს) — მახასიათებელი უგანზომილებო მუდმივა, რომლის მნიშვნელობა ძლიერი, ელექტრომაგნიტური, სუსტი და გრავიტაციული ურთიერთქმედების შესაბამისად ტოლია:

$g_{S}^{2}/\hbar c\approx 1$, $e^{2}/\hbar c\approx 1/137$, $G_{F}M^{2}c/\hbar ^{3}\approx 10^{-5}$ და $GM^{2}/\hbar c\approx 10^{-38}$, სადაც $g_{S}$ არის ძლიერი ურთიერთქმედების მუდმივა, $e$ ელემენტარული ელექტრული მუხტი (ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების მუდმივა), $G_{F}$ სუსტი ურთიერთქმედების ფერმის მუდმივა, G — გრავიტაციული მუდმივა, ħ — პლანკის მუდმივა, c — სინათლის სიჩქარე, M — ნუკლონის მასა. ~ 1 გევ ენერგიისას (ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკისათვის დამახასიათებელი სიდიდე) ფუნდამენტურ ურთიერთქმედებათა ინტენსიურობები ისე შეეფარდება ერთმანეთს, როგორც 1 : 10^-2 : 10^-5 : 10^-38.

ძლიერი ურთიერთქმედება

ბირთვული ძალები

ისტორიულად ძლიერი ურთიერთქმედების პირველი გამოვლინებაა ბირთვული ძალები, რომლებიც აკავშირებენ ნუკლონებს, პროტონებსა და ნეიტრონებს ატომბირთვებში. სწორედ ამ ძალებით აიხსნება ნივთიერებაში ალფა-ნაწილაკების გავლისას მათი დიდი კუთხეებით გაბნევა (ე. რეზერფორდის ცდები, 1911).

განსხვავებით ელექტრომაგნეტიზმისაგან, რომლის მიხედვითაც ორ დამუხტულ ნაწილაკს შორის ურთიერთქმედება ფოტონებით (რომელთა უძრაობის მასა ნულის ტოლია) გადაიტანება ნებისმიერ მანძილზე, ბირთვული ძალების მოქმედების მცირე რადიუსი იმას მოწმობს, რომ ბირთვული ურთიერთქმედების გადამტანები მასის მქონე ნაწილაკებია. კვანტური მექანიკის თანახმად, მასის მქონე ნაწილაკის გაცვლით გამოწვეული ურთიერთქმედების რადიუსი ტოლი უნდა იყოს ამ ნაწილაკის კომპტონის ტალღის სიგრძისა ħ/m₀c, სადაც m₀ არის ნაწილაკის უძრაობის მასა, ħ — პლანკის მუდმივა, ხოლო c — სინათლის სიჩქარე. ამრიგად, ბირთვული ძალების მოქმედების რადიუსისთვის

$R_{S}\sim {\frac {\hbar }{m_{0}c}}$. (1)

აქედან გამომდინარეობს, რომ m₀~300 m_e (m_e ელექტრონის მასაა). ჰ. იუკაუას (1935) სწორედ ამ მოსაზრებამ განაპირობა 1947 წლის აღმოჩენა ბირთვული ველის „კვანტისა“, რომელსაც π-მეზონი უწოდეს. ნუკლონები გარშემორტყმულია ასეთი ვირტუალური კვანტების (ე. ი. კვანტების, რომლებიც განუწყვეტლად გამოსხივდებიან და შთაინთქმებიან) „ღრუბლებით“ და წარმოადგენენ საკმაოდ რთულ დინამიურ სისტემას.

ჰადრონები. ძლიერი ურთიერთქმედების დინამიკა

ძლიერად ურთიერთქმედ ნაწილაკებს ჰადრონებს უწოდებენ. ჰადრონებს მიეკუთვნება ყველა ბარიონი (ნუკლონები, ჰიპერონები). აგრეთვე მეზონები (π-მეზონები, K-მეზონები) და მათი რეზონანსები — არასტაბილური მდგომარეობები, რომელთა სიცოცხლის ხანგრძლივობა 10^-23-10^-24 წმ რიგისაა.

ძლიერი ურთიერთქმედების მოკლექმედი ხასიათის გამო მისი პირდაპირი ექსპერიმენტული შესწავლა შესაძლებელია მხოლოღ ჰადრონების გაბნევის პროცესში. ძლიერი ურთიერთქმედების მეორე პრინციპული განსხვავება ელექტრომაგნეტიზმის ან გრავიტაციისაგან იმაში მდგომარეობს, რომ ჰადრონების ერთმანეთთან ურთიერთქმედების მუდმივები 1-ზე გაცილებით დიდია, მაგალითად, ნუკლონების π-მეზონებთან ურთიერთქმედების მუდმივა $G_{\pi _{NN}}^{2}/\hbar c\approx 15$, მაშინ როდესაც ანალოგიურად განმარტებული მუდმივა ორი დამუხტული ნაწილაკის ელექტრომაგნიტური, ურთიერთქმედებისათვის $\alpha _{e}\approx 1/137$. ეს ნიშნავს, რომ ძლიერი ურთიერთქმედების პროცესში, ელექტრომაგნიტური პროცესებისაგან განსხვავებით, არსებითად დიდი წელილი უნდა შეჰქონდეს ბირთვული ველის კვანტების (π-მეზონების) დიდი რაოდენობით გაცვლას, ხოლო როცა შეჯახებული ჰადრონების ენერგიები საკმაოდ დიდია, უნდა დომინირებდეს მრავლობითი პროცესები. რასაც თან ახლავს დიდი რაოდენობის მეორეული ნაწილაკების დაბადება. ამიტომ ძლიერი ურთიერთქმედების პროცესების განხილვის დროს არ შეიძლება ვისარგებლოთ შეშფოთების თეორიით (ე. ი. $G_{\pi _{NN}}^{2}$-მუდმივას, როგორც მცირე პარამეტრის, მიხედვით გაშლით), რომელიც ასე ეფექტურია ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებისათვის ($\alpha _{e}$-მუდმივას სიმცირის გამო), სადაც ნებისმიერი დაკვირვებადი ეფექტის ასაწერად საკმარისია შვშფოთების თეორიის $\alpha _{e}$-მუდმივათი გაშლის პირველი რამდენიმე წევრის გათვალისწინება.

ამასთან დაკავშირებით ჰადრონების ძლიერი ურთიერთქმედების თეორიაში განვითარდა მეთოდები, რომლებიც არ არის დაკავშირებული შეშფოთების თეორიასთან. ეს მეთოდები დაფუძნებულია ველის კვანტური თეორიის ისეთ ზოგად პრინციპებზე, როგორიცაა: ჰადრონების გაბნევის მატრიცის უნიტარულობა და ანალიზურობა, ძლიერი ურთიერთქმედების სიმეტრიები და სხვადასხეა მოდელური წარმოდგენები (დიფრაქციული და მულტიპერიფერიული მოდელები, რეჯისტიკა). ეს პრინციპები ამა თუ იმ სახით ითვალისწინებენ ძლიერი ურთიერთქმედების მრავალნაწილაკოვან ხასიათს. ამ მეთოდების დამუშავებაში დიდი წვლილი მიუძღვით ფიზიკოსებს, ნ. ბოგოლიუბოვს, ვ. გრიბოვს, ა. თავხელიძეს, ა. ლოგუნოვს, ი. პომერანჩუკს და სხვა.

ძლიერი ურთიერთქმედების ფენომონოლოგია

განვიხილოთ ორი ჰადრონის ერთმანეთზე გაბნევის პროცესი და მოვიყვანოთ ძირითადი კანონზომიერებები, რომლებიც დამოკიდებულია მათ ფარდობითს ენერგიაზე.

ა) დაბალი ენერგიების დროს $[\varepsilon \leqslant (10-15){\text{მეგევ}})]$ გაბნევა ხდება მხოლოდ ნულოვანი ფარდობითი ორბიტული მომენტის მდგომარეობაში და იგი სფერულად სიმეტრიულია.

ბ) ენერგიის ზრდასთან ერთად გაბნევის სრული სიმეტრია ირღვევა (გაბნევა ორბიტული მომენტის l = 0, 1, 2... მდგომარეობაში). თუ ენერგია სჭარბობს მეორეული ნაწილაკების დაბადების ზღურბლს, დაიმზირება მკვეთრად გამოხატული პიკები გაბნევის ეფექტურ $\sigma$ განივკვეთში ისეთი ენერგიების დროს, რომლებიც შეესაბამება რეზონანსების წარმოქმნას.

გ) წარმოდგენა ჰადრონზე, როგორც ძლიერად ურთიერთქმედი ნაწილაკების „ღრუბლით“ (პი-მეზონები, წუკლონ-ანტინუკლონური წყვილები და სხვა) გარშემორტყმულ ნაწილაკზე, საშუალებას გვაძლევს დავადგინოთ ძლიერი ურთიერთქმედების სურათი მაღალენერგეტიკული ჰადრონების შეჯახებისას. ცდები გვიჩვენებს, რომ რამდენიმე ათეული გევ-ის რიგის $\varepsilon$ ენერგიების დროს ჰადრონების სრული ეფექტური განივკვეთები დაახლოებით მუდმივია, მაგრამ ენერგიის შემდგომ ზრდასთან ერთად ისინი ნელა იზრდებიან და უახლოვდებიან მაქსიმალურად შესაძლო ზრდის იმ ტემპს $\sigma \sim ln^{2}\varepsilon$, რომელიც დადგენილია თანამედროვე კვანტური თეორიის ზოგადი პრინციპების საფუძევლზე (მ. ფრუასარი, 1961).

დ) მაღალენერგეტიკული ჰადრონების შეჯახებისას, როცა ისინი ძლიერი ურთიერთქმედების რადიუსზე მეტად უახლოვდებიან ერთმანეთს, დომინირებს მეორეული ნაწილაკების დაბადების პროცესები. ამის მიუხედავად, ჰადრონების დრეკადი გაბნევა (ე. ი. გაბნევა. რომელიც არ ცვლის შეჯახებული ჰადრონების შემადგენლობას) ყოველთვის ხდება ნაწილაკების ტალღური თვისებების გამო. ეს გაბნევა თვისებრივად მოგვაგონებს $R_{S}$-რადიუსიან „შავ“ ბურთულაზე სინათლს დიფრაქციის ანალოგიური დიფრაქციის მოვლვნას. ეს, ნიშნავს, რომ მაღალი ენერგიების დროს ჰადრონების დრეკადი გაბნევა ძირითადად უნდა ხდებოდეს მცირე კუთხეებით — კოწუსში კუთხური გაშლით $\Theta \sim {\frac {\hbar }{|P|R_{S}}}$, სადაც $P$ ჰადრონების ფარდობითი იმპულასია. ჰადრონების დრეკადი გაბნევის დიფრაქციული ხასიათი ექსპერიმენტულად დადასტურდა.

იმ დაშვების საფუძევლზე, რომ მაღალი ენერგიების დროს ჰადრონების დრეკადი გაბნევა დიფრაქციულია. ხოლო სრული განივკვეთი $\sigma$ ენერგიის ზრდასთან ერთად მიისწრაფვის მუდმივი ზღვარისკენ, შეიძლება დამტკიცდეს მნიშენელოვანი თეორემა (ი. პომერანჩუკი, 1968) ერთსა და იმავე სამიზნეზე ნაწილაკისა და ანტინაწილაკის გაბნევის სრული განივკვეთების ტოლობის შესახებ, მაგალითად,

$\sigma ({\pi }^{+}+p)-\sigma ({\pi }^{-}+p){\underset {\varepsilon \to \infty }{\to 0}}$. (2)

ჰადრონების სისტემატიკა და კვარკები

ერთნაირი ძლიერი ურთიერთქმედების მქონე სხვადასხვა ჰადრონის დიდი რაოდენობით აღმოჩენამ მიგვიყვანა კვარკების (q) ჰიპოთეზამდე. 1986-თვის აღმოჩენილია შემდეგი კვარკები: u, d, s, c, b, t.

ჰადრონებს, რომლებიც ამ კვარკებისაგან შედგებიან, ახასიათებთ შემდეგი კვანტური რიცხვები: იზოტოპური სპინი (თუ ისინი შეიცავენ u- ან d-კვარკებს), უცნაურობა (თუ შეიცავენ s-კვარკს), მომხიბლაობა ანუ „ჩარმი“ (თუ შეიცავენ c-კვარკს), სილამაზე (თუ შეიცავენ b-კვარკს). ეს კვანტური რიცხვები, ე. წ. კვარკული „არომატები“, გვაძლევენ ცდებით აღმოჩენილი მეზონების, ბარიონებისა და რეზონანსების სისტემატიკის სრული აღწერის საშუალებას.

გარდა არომატებისა, კვარკებს აქვს აგრეთვე შინაგანი ფუნდამენტური მუხტები, ე. წ. „ფერები“, რომლებიც განასხვავებენ მათ ყველა სხვა ნაწილაკისაგან. სწორედ ამ მუხტების ურთიერთქმედების მეშვეობით კვარკებს შეადგენენ „უფერულ“ ჰადრონებს, ისე როგორც ელემენტარული მუხტების ურთიერთქედების მვშვეობით ელექტრონები და ატომბირთვები შეადგენენ ელექტრულად ნეიტრალურ ატომებს.

კვანტური ქრომოდინამიკა

1973-1976 წლებში კვარკების ჰიპოთეზის სასარგებლოდ მრავალი დამაჯერებელი საბუთის მოპოვების შემდეგ გაგებულ იქნა, რომ შედგენილი ჰადრონების ძლიერი ურთიერთქმედება მხოლოდ მეორეული მოვლენაა. შედგენილი უფერული ჰადრონების ერთმანეთთან ბირთეული ურთიერთქმედების ძალები გარკვეული აზრით, მართლაც, მოგვაგონებს ვან-დერ-ვაალსის ძალებს, რომლებითაც ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან ელექტრულად ნეიტრალური ატომები და მოლეკულები. ცხადი გახდა, რომ ძლიერი ურთიერთქმედების ფუნდამენტური თეორია უნდა შეიცავდეს არა ბარიონებსა და მეზონებს (მაგალითად, ნუკლონებსა და π-მეზონებს), არამედ კვარკებსა (q) და ძლიერი ურთიერთქმედების „ფოტონებს“, ე. წ. გლუონებს (g). გლუონები ძლიერი ურთიერთქმედების მუხტებთან — კვარკების „ფერებთან“ — დაკავშირებულია ისე, როგორც ფოტონი — ელექტრულ მუხტთან. ამ თეორიამ კვანტური ქრომოდინამიკის სახელწოდვბა მიიღო.

კვანტური ქრომოდინამიკა ემყარება კვარკების სამფეროვანი სიმეტრიის SU (ვ) ჯგუფს. ეს სიმეტრია ელემენტარული ნაწილაკების თეორიაში დამოუკიდებლად შემოიღეს საბჭოთა (ნ. ბოგოლიუბოვი, ბ. სტრუმინსკი, ა. თავხელიძე) და ამერიკელმა (მ. პანი, ი. ნამბუ) ფიზიკოსებმა 1965 წელს. როგორც აღმოჩნდა, სწორედ ამ სიმეტრიის ჯგუფს შეუძლია ახსნას ჰადრონების სისტემაიკა — აღწეროს მეზონებისა და ბარიონიბის მრავალრიცხოვანი ოჯახი. ამ სიმეტრიის აბსოლუტური შენახვა მოითხოვს რვა უმასო გლუონის არსებობას, ისე როგორც ელექტრული მუხტის შენახვა მოითხოვს უმასო ფოტონის არსებობას, მაგრამ განსხვავებით ფოტონისაგან, რომელიც ელექტრულად ნეიტრალურია, გლუონებს თეითონ აქვთ ფერადი მუხტი, რაც რადიკალურად განასხვავებს კვარკების ძლიერ ურთიერთქმედებას მათი ელექტრომაგნიტური უურთიერთქმედებისაგან, ასეთი ტიპის თეორიები (ე. წ. არასტაბილური ყალიბური თეორიები) შემოთავაზებულ იქნა კიდევ 1954 წელს იანგის და რ. მილზის (აშშ) მიერ. მაგრამ მათი დეტალური გამოკვლევა შესაძლებელი გახდა მხოლოდ რ. ფეინმანის, ბ. დე ვიტის, ლ. ფადეევისა და ვ. პოპოვის, ვ. ტოოფტის და სხვა ფუნდამენტური შრომების შემდეგ. 1973 წელს დ. პოლიცერმა, დ. გროსმა და ფ. ვილჩეკმა აჩვენეს, რომ კვანტურ ქრომოდინამიკაში კვარკების ურთიერთქმედების ეფექტური მუდმივა კი არ იზრდება მათ შორის r მანძილის შემცირებასთან ერთად (როგორც ეს ხდება კვანტურ ელექტროდინამიკაში), არამედ მცირდება ნულამდე ლოგარითმული კანონით (ე. წ. ასიმპტოტური თავისუფლება), არამედ მცირდება ლოგარითმული კანონით (ე. წ. ასიმპტოტური თავისუფლება) $\alpha _{S}=g_{S}^{2}/\hbar c$,

$\alpha _{S}(r)={\frac {2\pi }{b(r)ln(r_{0}/r)}}{\underset {r\to 0}{\to 0}}$; (3)

აქ $b(r)=11-{\frac {2}{3}}nf(r)$, სადაც $nf(r)$ არის რიცხვი სხვადასხვა ტიპის (არომატების) კვარკებისა, რომელთა მასები აკმაყოფილებს პირობას $m\ll {\frac {\hbar }{c}}r^{-1}$, ხოლო $r_{0}\sim R_{S}\sim \wedge ^{-1}OCD$ კვანტური ქრომოდინამიკის პარამეტრია. ამრიგად, თუ კვანტურ ელექტოროდინამიკაში ვაკუუმური ფლუქტუაციები (ვირტუალური ელექტონ-პოზიტრნული წყვილები) იწვევს ელექტრული მუხტის დაეკრანებას, რაც იმაში გამოიხატება, რომ დიდ მანძილებზე ელექტრული მუხტი უფრო ნაკლებია, ვიდრე — მცირეზე, კვანტურ ქრომოდინამიკაში ყველაფერი პირიქითაა — ვაკუმურ ფლუქტუაციებს, რომლებიც შეიცავენ როგორც ვირტუალურ კვარკ-ანტიკვარკულ წყვილებს, ისე ვირტუალურ ფერად გლუონებს, მივყავართ ფერადი მუხტის ანტიდაეკრანებამდე, ე. ი. მის ზრდამდე დიდ მანძილებზე და შემცირებამდე (ნულამდე) მცირე მანძილებზე, რაც ნათლად ჩანს (3) ფორმულიდან. თუ ამ ფორმულაში r ვცვლით დიდი მანძილებისაკენ, gs(r) იზრდება და როცა $r=r_{0}$, ხდება უსასრულო. ჩვეულებრივ თვლიან, რომ $r_{0}$ რიგის მანძილებზე კვარკებს შორის ურთიერთქმედება უფერულ შედგენილ ჰადრონში იმდენად დიდია, რომ მათი $r_{0}$-ზე მეტად დაშორება შეუძლებელია. ამრიგად, ექსპერიმენტულად შემოწმებული ფაქტი, რომ კვარკები არ არსებობს თავისუფალ მდგომარეობაში, კვანტურ ქრომოდინამიკაში ევრისტიკულად საბუთდება, თუმცა ფერადი კვარკებისა და აგრვთვე გლუონების უფერული ჰადრონების შიგნით „ტყვეობის“ (ე. წ. კონფაინმენტის) ჰიპოთეზის მკაცრი დამტკიცება ჯერჯერობით ვერ მოხერხდა.

კვანტური ქრომოდინამიკის მართებულება უკანასკნელ წლებში აღმოჩენილი ახალი ობიექტებითა და მოვლენებით.

ა) ჩარმონიუმისა (${\bar {c}}c$-კვარკების სისტემა) [ძირითადი $\Psi$ (3,1) დონისა და სხვა $\Psi '$ (ვ,6მ), $\Psi ''$ (3,77), $\Psi '''$ (4,05) დონეების] და პარაჩარმონიუმის $\eta _{c}$ (3,0) აღმოჩენა (ფრჩხილებში მოცემული რიცხვები გვიჩვენებს შესაბამისი ნაწილაკების მასებს ტევ-ებით).

ბ) „ღია ჩარმიანი“ ნაწილაკების აღმოჩენა: (cu-სისტემა D° (1,863), cd-სისტემა D⁺ (1,868), cs-სისტემა F⁺ (2,04), cdu-სისტემა $\wedge _{c}^{+}$ (2,27).

გ) ისილონიუმების (bb-სისტემა) — ძირითადი დონის $\Upsilon$ (9,46) და სხვა დონეების $\Upsilon '$ (10,02), $\Upsilon ''$ (10,40), $\Upsilon '''$ (10,55) — აღმოჩენა.

დ) ელექტრონ-პოზიტრონული ($e^{+}e^{-}$) ანიჰილაციის დროს კვარკული „ჭავლების“ (ჰადრონების ვიწრო კონების) აღმოჩენა. საყოველთაოდ მიღებული ინტერპრეტაციის თანახმად, ისინი ჩნდებიან $e^{+}e^{-}\to q{\bar {q}}$ პროცესში კვარკების „ჰადრონიზაციის“ შედეგად (მათი ჰადრონებად გადაქცევა კონფაინმენტის გამო), რაც განპირობებულია კვარკ-ანტიკვარკული ვაკუუმური ფლუქტუაციებით).

ე) აღმოჩენა $e^{+}e^{-}$ ანიჰილაციის დროს გლუონური „ჭავლებისა“, რომლებიც ჩნდებიან $e^{+}e^{-}\to {\bar {q}}qg$ და $\Upsilon \to 3g$ პროცესებში გლუონების ჰადრონიზაციის შედეგად.

მიუხედავად იმისა, რომ ჰადრონების ფიკურმა მრავალმა ფაქტმა თვისებრივი, ხოლო ბევრ შემთხვევაში რაოდენობრივი ახსნაც პოვა კვანტური ქრომოდინამიკის ფარგლებში, ძლიერი ურთიერთქმედების თეორია ჯერჯერობით სრული არ არის. ძირითადი პრობლემა იმაში მდგომარეობს, რომ კვანტური ქრომოდინამიკა, როგორც თეორიული სქემა, თვითშეთანხმებულია მხოლოდ მცირე მანძილებზე, რომლებზედაც $\alpha _{S}$ — კვარკების ძლიერი ურთიერთქმედების მუდმივა — მცირეა და შეშფოთების თეორია „მუშაობს“. მაგრამ ძლიერი ურთიერთქმედების ფიზიკის ყველაზე საინტერესო მოვლენები, როგორიცაა კეარკებისაგან მეზონებისა და ბარიონების, როგორც ბმული მდგომარეობების, წარმოქმნის დინამიკა, ამ მდგომარეობების მასებისა და ურთიერთშორის ეფექტური ურთიერთქმედების მუდმივების გამოთელა, ძლიერი ურთიერთქმედების ხასიათის გამოკვლევა ატომბირთვებში და სხვა მოითხოვენ განხილვას კონფაინმენტის რადიუსის $r_{0}$ რიგის მანძილებზე, სადაც კვანტური ქრომოდინამიკა უძლურია $\alpha _{S}$-მუდმივას დიდი მნიშვნელობის გამო.

ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება

ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებში მონაწილეობენ მხოლოდ ელექტრულად დამუხტული ნაწილაკები. ელექტრომაგნიტური ველი (ფოტონები) გამოსხივდება ან შთაინთქმება ამ ურთიერთქმედების დროს ანდა მას გადააქვს სხეულებს შორის ურთიერთქედება. ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების კერძო შემთხვევაა უძრავი დამუხტული ნაწილაკების ე. წ. ელექტროსტატიკური ურთიერთქმედება. თუ მუხტები მოძრაეია, ამ ურთიერთქმედებას ემატება ნაწილაკთა სიჩქარეზე დამოკიდებული მაგნიტური ურთიერთქმედება. ელექტროსტატიკური ძალა პროპორციულია მუხტების ნამრავლისა და უკუკროპორციულია მათ შორის მანძილის კვადრატისა (კულონის კანონი). მანძილზე ასეთი დამოკიდებულება განსაზღვრავს ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების შორსქმედ ხასიათს, მის განუსაზღვრელ (როგორც გრავიტაციული ურთიერთქმედების დროს) ქმედების რდიუსს. ამიტომ ატომებშიც კი (~10^-8 სმ მანძილებზე) ელექტრომაგნიტური ძალები ბევრად აღემატება ბირთვულ ძალებს, რომელთა ქმედების რადიუსი ~10^-13 სმ-ია. ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება განაპირობებს ნივთიერების ძირითადი „აგურების“ — ატომებისა და მოლეკულების — არსებობას და განსაზღვრავს ბირთვისა და ელექტრონების ურთიერთქმედებას ამ მიკროსისტემებში. ამიტომ მაკროსისტემებში შემჩნეული ძალების (ხახუნის ძალა, დრეკადობის ძალა და სხვა) უმეტისობა დაიყვანება ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებაზე. ნიეთიერების სხვადასხვა აგრეგატული მდგომარეობის (კრისტალების, ამორფული სხეულების, სითხეების, აირების, გაზების) თვისებებს, ქიმიურ გარდაქმნებს, ელექტრომაგნიტურ ტალღების გამოსხივების, გავრცელებასა და შთანთქმის პროცესებს განსაზღვრავს ელვქტრომაგნიტური ურთიერთქმედება.

ამრიგად, ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება განაპირობებს ჩვენს გარშემო არსებულ სამყაროში მიმდინარე მოვლენების დიდ უმრავლესობას. იმ მოვლენების მართვა, რომლებშიც მონაწილეობს სუსტი, ნელა ცვალებადი ელექტრომაგნიტური ველები ($\hbar \omega \ll \varepsilon$, სადაც $\omega$ არის ველის ცვლილების დამახასიათებელი წრიული სიხშირე, $\hbar$ — პლანკის მუდმივა, $\varepsilon$-ველის ენერგია), ხდება კლასიკური ელექტროდინამიკური (რომელიც მაქსველის განტოლებებით აიწერება) კანონებით. ძლიერი ან სწრაფად ცვალებადი ველების დროს ($\hbar \omega =\varepsilon$) არსებითია კვანტური ეფექტები.

ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებას, როგორც ფუნდამენტურს, შეისწავლიან ისეთ მცირე მანძილებზე, სადაც მნიშვნელოვანია კვანტური ეფექტები. ჰადრონებისა და ბირთვების ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებისას მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ძლიერი ურთიერთქმედება. ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების სიძლიერეს კვანტურ მოვლენებში განსაზღერავს ელემენტარული ელექტრული მუხტი, ხოლო ინტენსიურობას (ეფექტურ განივკვეთს) — უგანზომილებო პარამეტრი $\alpha _{e}=e^{2}/\hbar c=1/137$ (ნაზი სტრუქტურის მუდმივა).

სუსტი ურთიერთქმედება

სუსტი ურთიერთქმედების ფერმის მოდელი

ყველაზე გაერცელებული პროცესი, რომელსაც განაპირობებს სუსტი ურთიერთქმედება, რადიოაქტიური ატომბირთვების ბეტა-დაშლაა. რადიოაქტიურობის მოელენა აღმოაჩინა ა. ბეკერელმა (1886). ე. რეზერფორდისა და მისი მოწაფეების მიერ β-რადიოაქტიული ბირთვების ენერგეტიკული სპექტრების მრავალწლიანმა შესწავლამ ვ. პაული (1931) მიიყვანა შემდეგ ჰიპოთეზამდე: β-დაშლისას ელექტრონთან ერთად აუცილებლად გამოსხივდება კიდევ ერთი ძალიან მსუბუქი (შესაძლოა უმასო) ნაწილაკი, რომელსაც ნეიტრინო უწოდეს. მიუხედავად იმისა, რომ ექსპერიმენტულად ნეიტრინო აღმოაჩინეს მხოლოდ 1956 წელს, ე. ფერმიმ ჯერ კიდევ 1934 წელს ააგო თეორია, რომელმაც სწორად აღწერა ბირთვების β-დაშლის ენერგეტიკული სპექტრები. ფერმის თეორიის თანახმად, $e^{-}$ ელექტრონი და $\nu$ ნეიტრინო (უფრო ზუსტად, ${\tilde {\nu }}$ ანტინეიტრინო), რომლებიც გამოსხივდებიან β-აქტიური ბირთვიდან, მანამდე ბირთვში კი არ არსებობდნენ, არამედ გაჩნდნენ ბირთვის რომელიმე n ნეიტრონის p პროტონად და წყვილად დაშლის შედეგად: $n\to p+e^{-}+{\tilde {\nu }}$. β-დაშლის თეორია არსებითად ელექტრომაგნიტური პროცესების თეორიის ანალოგიურია. ამ თეორიის საფუძველია ურთიერთქმედება. ორი „სუსტი“ — პროტონულ-ნეიტრონული (${\tilde {p}}n$) და ელექტრონულ-ნეიტრინული (${\tilde {e}}\nu$) დენისა, რომლებიც ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან არა რაღაც მანძილებზე რომელიმე შუალედური ნაწილაკების გაცვლით (ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების გადამტანია მაგალითად ფოტონი), არამედ კონტაქტურად. ამ უღთიერთქმედებას აქვს შემდეგი სახე:

${\frac {G_{F}}{\sqrt {2}}}({\tilde {p}}n)(e{\tilde {\nu }}_{e})$. (4)

აქ $G_{F}$ სუსტი ურთიერთქმედების მუდმივაა, რომლის ექსპერიმენტული მნიშვნელობა ${G_{F}}={\frac {10^{-5}}{M_{p}^{2}}}$ (ატომურ ერთეულებში $\hbar =c=1$), სადაც $M_{p}$ პროტონის მასაა, სუსტი დენები, ფერმის თანახმად, „გეომეტრიულად“ ისევეა მოწყობილი, როგორც ელექტრომაგნიტური დენი, ე. ი. ლორენცის, ჯგუფის მიმართ გარდაიქმნებიან როგორც 4-განზომილებიანი პოლარული ვექტორები. ერთადერთი განსხვავება ისაა, რომ ელექტრომაგნიტური დენი ნეიტრალურია, სუსტი დენები კი — დამუხტული.

სუსტი ურთიერთქმედების უნივერსალური V-A მოდელი

შემდგომ წლებში პი-მეზონების, კა-მეზონების, ჰიპერონების აღმოჩენის შემდეგ გამოირკვა, რომ სუსტი ურთიერთქმედება განაპირობებს არა მარტო ბირთვების β-დაშლას, არამედ ყველა ზემოთ ჩამოთვლილი არასტაბილური ელემენტარული ნაწილაკის დაშლასაც. ჩამოყალიბებულ იქნა ჰიპოთეზა, რომ სესტი ურთიერთქმედება უნივერსალურია და ხასიათდება ფერმის $G_{F}$-მუდმივათი. სუსტი ურთიერთქმედების მუდმივას მცირე სიდიდე განაპირობებს ელემენტარული ნაწილაკების სამყაროში სუსტი პროცესების განსაკუთრებით ნელ მიმდინარეობას. დამახასიათებელი დრო, რომლის განმავლობაშიც მიმდინარეობს სუსტი პროცესები 1 გევ-ის რიგის ენერგიების დროს, 10^-10 წმ-ია, მაშინ როდესაც იმავე ენერგიების დროს ძლიერი ურთიერთქმედებები გრძელდება მხოლოდ 10^-24 წმ განმავლობაში.

ლისა ღა იანგის (1956) მიერ ნაწინასწარმეტყველები სივრცლი (P) ლუწობის დარღვევის აღმოჩენამ განაპირობა ე. წ. სუსტი ურთიერთქმედების V-A მოდელის შექმნა (მ. გელ-მანი, რ. ფეინმანი, რ. მარშაკი, ე. სუდარშანი. აშშ, 1957).

ამ თეორიაში, ისე როგორც ფერმის თეორიაში, სუსტი უ. ჩნდება სუსტი დენების ხარჯზე, თვით სუსტი დენები არის არა პოლარული ვექტორები, არამედ პოლარული (V) და აქსიალური (A) ანუ ღერძული ვექტორების ჯამი. ლორენცის გარდაქმნების დროს ორივე ეს დენი (V და A) ერთნაირად გარდაიქმნება, სივრცის სარკული არეკვლის დროს კი ისინი სხვადასხვანაირად იქცევიან. ეს ნიშნავს, რომ სრულ სუსტ დენს არა აქეს გარკვეული ლუწობა. რასაც მივყავართ იმ ცდისეულ ფაქამდე, რომ სივრცული ლუწობა არ ინახება.

უნივერსალური (V-A) თეორიის დენები სხვა აზრითაც განაზოგადებენ ფერმის დენებს — მათში (pn) და (ev) წევრების გარდა გაჩნდ სხვა წევრებიც, რომლებიც შეესაბამებიან ყველა სხვა სუსტად ურთიერთქმედ ნაწილაკს. მაგალითად, მიუონს და მიუონურ ნეიტრინოს, ჰიპერონებს და სხვა. მაგრამ, ისე როგორც ეს ძლივრი ურთიერთქმედების შესწავლის დროს მოხდა, ახალ-ახალი ნაწილაკების აღმოჩენასთან ერთად ჩანოყალიბდა აზრი, რომ ჰადრონები კი არა, კვარკებია ის ობიექტები, რომლებისთვისაც უნდა მოხდეს სუსტი ურთიერთქმედების თეორიის აგება „პირველადი პრინციპების“ საფუძველზე.

ელექტრომაგნიტური და სუსტი ურთიერთქმედების ერთიანი მოდელი

ამ მოდელს (შ. გლეშოუ, ს. უაინბერგი. აშშ, ა. სალამი, 1967-1968) საფუძელად უდევს ჰიპოთეზა, რომ სუსტი ურთიერთქმედება დენების კონტაქტური ურთიერთქმედება კი არ არის, არამედ იგი გადაიტანება შუალედური ვექტორული $W^{\pm }$-ბოზონების (ერთეული სპინის მქონე მძიმე ნაწილაკების) მეშვეობით. ეს გარემოება კიდევ უფრო სრულს ხდის სუსტი ურთიერთქმედების ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებთან ანალოგიას, რომელსაც ფერმი ეყრდნობოდა. უფრო მეტიც, გლეშოუ-ვაინბერგ-სალამის მოდელს საფუძვლად უდევს იდეა სუსტი და ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებების ერთიანი ბუნების შესახებ. ითვლება რომ $W^{\pm }$-ბოზონების სუსტ დენებთან ურთიერთქმედების მუდმივა იმავე რიგისაა, რომელი რიგისაც არის ფოტონი ელექტრომაგნიტურ დენთან უურთიერთქმედების მუდმივა. ფერმის $G_{F}$-მუდმივა მეორეული სიდიდეა და გამოისახება ფუნდამენტური სუსტი ურთიერთქმედების კონსტანტისა $g_{W}(g_{W}^{2}/\hbar c\equiv \alpha _{W})$ და $W^{-}$-ბოზონების მასის $m_{W}$ მეშვეობით ($\hbar =c=1$):

$G_{F}={\frac {g_{W}^{2}}{8m_{W}^{2}}}\approx {\frac {10^{-5}}{M_{p}^{2}}}$. (5)

მოდელში ფოტონის გარდა სამი შუალედური ბოზონია. ორი დამუხტული ($W^{+}$ და $W^{-}$) და ერთი ნეიტრალური ($Z^{0}$). ისინი ისევე არიან დაკაეშირებული კვარკებისა და ლეპტონების „სუსტ“ მუხტებთან. როგორც ფოტონი ელმქტრულ მუხტთან. „სუსტი“ ბოზონები, როგორც (5)-იდან ჩანს, რამდენიმე ათეულ-ჯერ მძიმე უნდა იყოს პროტონზე. ამ მასების მოსალოდნელი მნიშვნელობანი ასეთია: $m_{W}\approx 80$ გევ, $m_{Z}\approx 90$ გევ.

გლეშოუ-ვაინბერგ-სალამის მოდელის სიმეტრია დაკაეშირებულია კვარკებისა და ლეპტონების „სუსტი“ მუხტების უნივერსალურ დუპლეტურ სტრუქტურასთან. ეს სიმეტრია ეყრდნობა $SU(2)\bigotimes U(1)$ ჯგუფს, სადაც $U(1)$ ნაწილის არსებობა განაპირობებს „სწორ“ მნიშვნელობებს კვარკებისა და ლეპტონების ელექტრული მუხტებისათვის [წინააღმდეგ შემთხვევაში $SU(2)$ სიმეტრიის შესაბამისად ეს მუხტები იქნებოდა $\pm (1/2)e$ ტოლი]. ძლიერი ურთიერთქმედების „ფერადი“ $SU(3)$-სიმეტრიისაგან განსხვავებით, $SU(2)\bigotimes U(1)$-სიმეტრია დარღვეული სიმეტრიაა, რაც იმაში გამოიხატება, რომ კვანტური ქრომოდინამიკა უმასო გლუონებისგან განსხვავებით $W^{\pm }$ და $Z^{0}$ „სუსტი“ ბოზონები მასის მქონე ნაწილაკებია. თანამედროვე წარმოდგენების თანახმად, ასეთი დარღვევა გამოწვეულია ფიზიკური სისტემის ძირითადი მდგომარეობის — ვაკუუმის — სპონტანურად განვითარებული ასიმეტრიით. სწორედ სიმეტრიის სპონტანური დარღეევის მექანიზმი იძლევა საშუალებას, ერთი მხრივ, მიანიჭოს მასები „სუსტ“ ბოზონებს და, შესაბამისად მოახდინოს სუსტი ურთიერთქმედების ლოკალიზაცია მცირე მანძილებზე ($R_{W}\sim m_{W}^{-1}$),ხოლო, მეორე მხრივ, არ დაარღვიოს სუსტი ურთიერთქმედების თეორიის გადანორმირებადობა .

მოცემულ სქემაში ნეიტრალური $Z^{0}$-ბოზონის არსებობა მიგვითითებს, რომ დამუხტული დენების გარდა არსებობს ნეიტრალური „სუსტი“ დენიც. მართლაც, 1973 წელს აღმოჩენილ იქნა ნეიტრალური დენები. ამასთან ერთად, 1983-1984 წლებში მიღებულია დამაჯერებელი ექსპერიმენტული მონაცემები თვით $W$- და $Z$-ბოზონების არსებობის შესახებ ნაწინასწარმეტყველები მასების მნიშვნელობებით, რაც გადამწყვეტი არგუმენტია ელექტრომაგნიტურ და სუსტ ურთიერთქედებათა ერთიანი მოდელის სასარგებლოდ.

„დიდი გაერთიანება“

ძირითადი დასკვნები, რომლებიც გაკეთდა ელექტრომაგნიტური ძლიერი და სუსტი ურთიერთქედების შესწავლის შედეგად, შემდეგია:

1. ფუნდამენტური ობიექტებია არა ჰადრონები და ლეპტონები, არამედ კვარკები და ლეპტონები;
2. კვარკების ძლიერი ურთიერთქმედება და კვარკებისა და ლეპტონების სუსტი ურთიერთქმედება ისეთივე ბუნებისაა, როგორიც ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების ბუნება. ძლიერი ურთიერთქმედება ხასიათდება რვა „ფერადი“ მუხტით, სუსტი ურთიერთქმედება — სამი „სუსტი“ მუხტით. ამ მუხტებთან, ისე როგორც ფოტონი — ელექტრულ მუხტთან, დაკავშირებულია ე. წ. ყალიბური ვექტორული ველები (ერთეული სპინის მქონე ველები) — გლუონები და „სუსტი“ ბოზონები — ურთიერთქმედების გადამტანები.
3. ელექტრომაგნიტური სუსტი და ძლიერი ურთიერთქმედების მუდმივები, რომლებიც ვაკუუმში ფლუქტუაციების (ვაკუუმის პოლარიზაცია) გამო დამოკიდებულია მანძილებზე, ნათლად ამჟღავნებენ „დაახლოების“ ტენდენციას მცირე მანძილებზე გადასვლის დროს, ელექტრომაგნიტური მუდმივა ლოგარითმულად იზრდება, ხოლო სუსტი და ძლიერი ურთიერთქმედების მუდმივები ლოგარითმულად მცირდება. ამავე დროს ძლიერი ურთიერთქმედების მუდმივა გაცილებით უფრო სწრაფად მცირდება შესაბამისი სიმეტრიის უფრო მაღალი ჯგუფის გამო (3). ამასთან დაკავშირებით ჩამოყალიბდა შეხედულება, რომ ზემცირე მანძილებზე ეს სამი ურთიერთქმედება ხასიათდება ერთისა და იმავე ურთიერთქმედების მუდმივათი და არსებითად ერთი და იგივე ურთიერთქმედებაა. ამ საფუძველზე აიგო ე. წ. „დიდი გაერთიანების“ მოდელები (ჯ. პატი, ა. სალამი, 1973; ჰ. ჯორჯი, შ. გლეშოუ, 1974), რომლებიც ხსნიან, თუ რატომ აქვს კვარკებს წილადი მუხტი, წინასწარმეტვველებენ „სუსტი“ ბოზონების მასების ზუსტ მნიშვნელობებს და შეიცავვნ თეისებრივად ახალ მოვლენას — პროტონის არასტაბილურობას 10^-30-10^-32 წელი რიგის სიცოცხლის ხანგრძლივობით. თუ პროტონის დაშლა, მართლაც, აღმოჩენილ იქნება ექსპერიმენტულად, მაშინ შეიძლება დავასკვნათ, რომ თანამედროვე წარმოდგენები კვარკვბისა და ლეპტონების ელექტრომაგნიტური სუსტი და ძლიერი ურთიერთქმედებების სტრუქტურაზე, რომლებიც ექს[ერიმენტულად შემოწმებულია 10^-13-10^-15 სმ რიგის მანძილებამდე, უცვლელი რჩება 10^-28 სმ რიგის მანძილებამდეც. დიდი გაერთიანების მოდელების თანახმად, სწორედ ასეთ მანძილებზე ხდება ახალი ტიპის ურთიერთქმედება, რომელსაც პროტონის დშლამდე მივყავართ.

ლიტერატურა

• ქართული საბჭოთა ენციკლოპედია, ტ. 10, თბ., 1986. — გვ. 173-176.