Концепции сильного и слабого взаимодействий.

Физики установили, что атом также имеет сложную структуру и состоит из электронной оболочки и ядра. Ядра в свою очередь состоят из протонов и незаряженных частиц нейтронов (нуклоны). Непонятно, почему ядро не разваливается, хотя протоны расталкивают друг друга будучи одноименно заряженными частицами. Атом имеет размер ~10–8 см,  ядро ~10–13 см, масса протона и нейтрона примерно в 1837 раз больше массы электрона. Для обоснования факта существования атомных ядер ввели новый вид сил – сильное взаимодействие для нуклонов (протонов и нейтронов). Причем, эта сила примерно в 100 раз превосходит кулоновское (электромагнитное) взаимодействие.

За счет этих сил в недрах Солнца и звезд непрерывно идут термоядерные реакции с превращением водорода в гелий (на Солнце). Характер сильного взаимодействия проясняет кварковая модель Гелл-Мана (1963). По ней все элементарные частицы состоят из кварков, в том числе нуклоны.

Кварки – это фермионы (полуцелый спин, то есть спиновое квантовое число) с дробным электрическим зарядом  е,   (е – заряд электрона). Считают, что существует шесть разновидностей кварков, отличающихся «ароматом»: u – верхний, d – нижний, o – очарованный, s – странный, b – красивый, t – истинный. Их комбинации дают любую элементарную частицу (например, протон – это uud, нейтрон udd и т.д.).

Переносчиком взаимодействия здесь являются глюоны (для электромагнитного поля – фотоны, для гравитационного – гравитоны). Глюоны не имеют массы покоя и электрического заряда, как и фотоны.

Слабое взаимодействие обуславливает распад протонов и нейтронов. Нейтроны неустойчивы, поэтому идет реакция    с превращением нейтрона в протон, электрон и антинейтрино, протон же распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино. Слабое взаимодействие возникает между лептонами - электронами, нейтрино, мюонами, тауонами.

Радиус действия слабого взаимодействия ~10–16 см. Оно слабее электромагнитного, но намного сильнее гравитационного. Слабое взаимодействие передается частицами – бозонами   и Z0.  Масса их ~ в 100 раз больше массы протона:

 имеет заряд ±e, массу 85 mp,

Z0 – частицы не имеют заряда, но масса их 95 mp.

Без этих частиц было бы невозможно образование сложных систем, без кварков не было бы ядер, без лептонов не было бы атомов, химических элементов, жизни.

В Теории Великого Объединения (ТВО), созданной Саламом, Вайнбергом (1967), энергия объединения электрослабого и сильного взаимодействия связана с частицами – переносчиками лептокварками. Их масса (энергия) составляет ~1015 ГэВ, именно она – прародитель (преон), сыгравший важнейшую роль в рождении вещества сразу после возникновения Вселенной.

Остановимся на понятии суперсилы. В Теорию Великого Объединения входили и монополи (магнитные). Их масса громадна в сравнении с массой нуклонов. Поэтому при аннигиляции монополя и антимонополя выделялась бы гигантская энергия (бинарное оружие). Возникла идея суперсимметрии со спином – ее основой. Эта суперсимметрия соответствует превращению фермиона в бозон и наоборот. То есть она связывает в одно семейство частицы с разными спинами.

Включить в суперсилу теорию гравитации можно лишь при наличии гравитона со спином 2 и, в частности, частиц со спином 3/2 (последних пока опыт не обнаружил). Описание гравитации на языке суперсимметрии называют супергравитацией – такой вариант теории требует существования загадочных частиц «гравитино» и именно со спином 3/2.

Если такие частицы найдут, то идея о суперсиле будет подтверждена. Теоретически это направление суперсимметрии рассматривают как супергравитацию N = 8. В это семейство N = 8 входит 163 частицы: 70 – со спином 0, 56 – со спином 1/2, 28 – со спином 1 и 8 – со спином 3/2, 1 гравитон со спином 2.

Кроме того, она дает описание полей и вещества с использованием квантовых законов.