3 Общие свойства фундаментальных взаимодействий

3.1 Введение

    Огромное многообразие физических явлений, происходящих в мире элементарных частиц, определяется всего лишь четырьмя типами взаимодействий: сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным, основные характеристики которых показаны в табл. 10.
    Сильное взаимодействие происходит между сильновзаимодействующими частицами - адронами. К ним относятся протоны, нейтроны, мезоны и гипероны, как долгоживущие частицы, так и резонансы. Для сильного взаимодействия определяющий радиус взаимодействия − размер протона r_р = 10^-13 фм. Сильные взаимодействия при расстояниях больших гр ответственны за взаимодействия между нуклонами внутри ядра - ядерные силы. Сильные взаимодействия при расстояниях меньших rр ответственны за взаимодействия между партонами, происходящие внутри нуклонов. Потенциал взаимодействия в этом случае V(r) = -αs/r + æ_r благодаря присутствию второго члена позволяет объяснить такие особенности процесса сильного взаимодействия на кварковом уровне, как конфайнмент и асимптотическая свобода. Для ядерных сил, действующих между нуклонами внутри ядра, потенциал взаимодействия подбирается для каждого ядра эмпирическим путем и для описания ядерных сил внутри ядра используются различные ядерные модели. Для описания сильных взаимодействий на кварковом уровне создана единая модель -квантовая хромодинамика (КХД).

3.2 Взаимодействия и поля в физике частиц

    В рамках классического, теоретико-полевого подхода каждому типу взаимодействий соответствует свое поле. При этом взаимодействие на расстоянии описывается в терминах потенциала или поля, действующего между частицами. В квантовой теории взаимодействие описывается в терминах обмена специфическими квантами (бозонами), ассоциированными с данным типом взаимодействия.
    Эквивалентность этих двух подходов можно проиллюстрировать, рассматривая электростатическое поле между двумя точечными зарядами Q₁ и Q₂. В классическом случае сила F, действующая со стороны заряда Q₁ на заряд Q₂, определяется полем Е(r), причем F = E(r)Q₂ = Q₁Q₂/r². В квантово-механическом подходе сила, действующая между зарядами определяется обменом виртуальным фотоном с импульсом q. Одна из частиц испускает фотон, другая поглощает его. Фотон − виртуальная частица − существует только в течение отрезка времени, ограниченного принципом неопределенности, причем импульс фотона и его положение в пространстве связаны соотношением

qr ~ ћ.

Таким образом, каждый фотон передает импульс q за время t = r/с, при этом сила взаимодействия равна

dq/dt = ћc/r.

Число испущенных и поглощенных фотонов предполагается пропорциональным произведению зарядов, что приводит к закону Кулона

F = Q₁Q₂/r²,

как и в классическом случае.
    Квантовая концепция поглощения и испускания виртуальных фотонов является такой же условностью, как и классическая полевая концепция. Никто не наблюдал виртуальных квантов, на опыте измеряются только силы.
    В табл. 11 представлены типы взаимодействий, соответствующие им силы взаимодействия и полевые кванты.

3.3 Диаграммы Фейнмана

    Взаимодействия частиц в квантово-полевом подходе описываются с помощью диаграмм Фейнмана, для которых введены формальные правила. Диаграммы Фейнмана обладают большой наглядностью. На них ось времени направлена слева направо, так что слева находятся начальные состояния, а справа − конечные (реже ось времени направлена снизу вверх). Каждая частица, участвующая в процессе, изображается линией. Свободный левый или правый конец линии обозначает нахождение частицы в начальном или конечном состоянии соответственно. Внутренние линии на диаграммах (т.е. линии, не имеющие свободных концов) соответствуют так называемым виртуальным частицам. Это частицы, рождающиеся и поглощающиеся в процессе взаимодействия. Их нельзя зарегистрировать, в отличие от реальных частиц. Взаимодействие частиц на диаграмме изображается узлами (или вершинами). Тип взаимодействия характеризуется константой связи α, которая может быть записана в виде: α = g²/ћc, где g − заряд источника взаимодействия, α − основная количественная характеристика силы, действующей между частицами. В электромагнитном взаимодействии α_е = e²/ћc = 1/137.

Таблица 11: Силы в природе

Рис. 15: Диаграмма Фейнмана.

   Процесс а + b → с + d в виде диаграммы Фейнмана (рис. 15) выглядит следующим образом: R − виртуальная частица, которой обмениваются частицы а и b при взаимодействии, определяемом константой взаимодействия α = g2/ћc, характеризующей силу взаимодействия на расстоянии, равном радиусу взаимодействия. Виртуальная частица может иметь массу М_х и при обмене этой частицей происходит передача 4-импульса t = −q².
    В каждом узле диаграммы Фейнмана выполняются все законы сохранения, имеющие место для данного процесса. С помощью диаграммного метода можно выписать амплитуду вероятности данного процесса через амплитуды вероятности процессов, соответствующих отдельным узлам. Квадрат модуля амплитуды вероятности процесса определяет сечение данного процесса.
    Для расчета эффективных сечений в квантовой теории используется метод теории возмущений, который заключается в последовательном учете все большего числа актов взаимодействия свободных частиц. Каждый этап учета взаимодействия представляется соответствующей диаграммой Фейнмана и характеризуется константой взаимодействия. Если константа взаимодействия α < 1, то ряд получается сходящимся и эффективное сечение может быть вычислено.

3.4 Сравнение типов взаимодействия

    В табл. 10 приведены характеристики различных типов взаимодействия: константы взаимодействия а, радиусы и времена взаимодействия, вид потенциалов, типы обмениваемых частиц и частиц, участвующих во взаимодействии, характерные величины времен взаимодействия и сечений взаимодействия.
    Константа взаимодействия а является основной количественной характеристикой силы, действующей между частицами, или энергии взаимодействия на расстоянии, равном радиусу взаимодействия. Чаще всего за радиус взаимодействия выбирают комптоновскую длину волны взаимодействующих частиц λ = ћ/mс. Для сравнения силы различных процессов взаимодействия используют безразмерные константы, в которые входят комбинации фундаментальных постоянных.
    Для получения безразмерной константы можно энергии различных типов взаимодействия отнести к какой-либо одной универсальной энергии и сравнить таким образом силы различных взаимодействий. Такой энергией в случае электромагнитного взаимодействия может быть энергия фотона с длиной волны λ: Е = ћс/λ = hν. Если разделить энергии взаимодействия на эту величину Е, то получим безразмерные числа, которые можно сравнивать.
    Рассмотрим константы взаимодействия для различных типов сил, построенные по такому принципу. Для электромагнитного взаимодействия

    Для электромагнитных сил константа взаимодействия численно равна постоянной тонкой структуры.
    Для сильных взаимодействий по аналогии с кулоновским электрическим зарядом вводится понятие сильного заряда g. Его величина может быть определена из опытов по рассеянию пионов на нуклонах. Тогда при радиусе взаимодействия r больше размера нуклона r_N

Для взаимодействия на кварковом уровне при r < r_N константа взаимодействия имеет более сложный вид. В этом случае она выражается через фундаментальную постоянную КХД теории Λ
(Λ ≈ 100÷300 МэВ/с), квадрат переданного импульса q² и имеет величину, существенно меньшую единицы:

Для слабого взаимодействия константа взаимодействия выражается через константу Ферми
G_F = 1.4·10^-49 эрг·см³:

Величина ћ/m_pc − это комптоновская длина волны протона. Она вводится в выражение α_слаб для того, чтобы сделать эту константу безразмерной.
    Для гравитационного взаимодействия имеем константу взаимодействия

где G = 6.67·10^-11 н·м²/с² − гравитационная постоянная, m_N ~ 1.7·10^-27 кг − масса нуклона.

3.5 Электромагнитные взаимодействия

    Наиболее полно и последовательно изучены электромагнитные взаимодействия. Разработана теория этих взаимодействий − квантовая электродинамика. Электромагнитным взаимодействиям подвержены все заряженные частицы и фотоны.
    Примерами простейших электромагнитных процессов, в которых участвуют фотоны, являются фотоэффект, комптон-эффект, образование электрон-позитронных пар, а для заряженных частиц − ионизационное рассеяние и тормозное излучение. Некоторые из этих процессов изображены с помощью диаграмм Фейнмана на рис. 16.

Рис. 16: Примеры электромагнитных процессов: а − фотоэффект; б − комптон-эффект; в − рождение пар; г − рассеяние электрона на электроне; д − тормозное излучение.

    Диаграммный метод позволяет получить сечение данного процесса через амплитуды вероятности процессов, соответствующих отдельным узлам диаграммы. Каждому узлу соответствует константа связи, равная квадратному корню из константы взаимодействия данного процесса.
    В космических лучах электромагнитные процессы играют большую роль, например при прохождении космического излучения через атмосферу Земли, образовании широких атмосферных ливней и при прохождении частиц в плотных веществах.
    На рис. 17 показаны сечения процессов взаимодействия фотонов с веществом в зависимости от энергии фотона. Относительные потери энергии заряженными частицами − на ионизацию и тормозное излучение − в свинце приведены на рис. 18.

Рис. 17: Зависимость коэффициента ослабления потока фотонов в свинце от энергии фотона за счет разных процессов: 1 − фотоэффекта; 2 − комптон-эффекта; 3 − образования электрон-позитронных пар; 4 − полный коэффициент ослабления.

Рис. 18: Потери энергии заряженными частицами: 1 − на ионизацию и 2 − на тормозное излучение.

3.6 Слабые взаимодействия

    Исторически впервые слабые взаимодействия наблюдались при ядерном β-распаде:

A(Z,N) → A(Z-l,N+l) + e⁺ + ν_e,
A{Z,N) → A(Z + l,N-l) + e^- + _e,
A(Z,N) + e- → A(Z-l,N+l) + ν_e,

где A − атомный номер, Z − число протонов, N − число нейтронов в ядре.

Все эти переходы связаны с превращениями протона в нейтрон в ядре и обратно

р → n + е⁺ + ν_e,   n → р + е^- + _e.

возможны и обратные реакции − захват электрона:

е^- + р → n + ν_e

или антинейтрино:

_e + p → е⁺ + n.

    Процесс поглощения антинейтрино наблюдался американскими физиками Райнесом и Коуэном в 1954 году вблизи реактора.
    Слабое взаимодействие было описано Ферми в 1934 году в терминах четырехфермионного контактного взаимодействия, определяемого константой Ферми

G_F = 1.02·10^-5ћс(ћ/m_pc)² = 1.4·10^-49 эрг·см³,

где m_p − масса протона.
    При очень высоких энергиях вместо фермиевского контактного взаимодействия слабое взаимодействие описывается как обменное, при котором происходит обмен квантом, наделенным слабым зарядом g (по аналогии с электрическим зарядом) и действующим между фермионами.

На диаграмме Фейнмана (рис. 19) показана реакция взаимодействия антинейтрино с протоном, осуществляемая путем обмена W^±-бозоном. Такая реакция называется реакцией с заряженным током. Обмен нейтральным Z⁰-бозоном называется реакцией с нейтральным током.

Рис. 19: Диаграммы Фейнмана для реакций: а − с заряженным и б − с нейтральным токами.

    После открытия нейтральных слабых токов получила подтверждение гипотеза американских физиков С.Вайнберга, А.Салама, Ш.Глешоу (Нобелевская премия по физике 1979 года) о том, что электромагнитные и слабые взаимодействия имеют одинаковую внутреннюю природу. Действительно, если в выражение константы слабого взаимодействия асл подставить величину массы переносчика слабого взаимодействия W^±-бозона, то получится, что α_cл ≈ α_{эл.магн} ≈ 10^-2. Так была создана теория электрослабого взаимодействия. Она впервые дала конкретные и проверяемые предсказания свойств промежуточных векторных бозонов, включая их массу. По этой теории требовалось существование трех частиц с электрическими зарядами + 1, −1, 0 с массами ~ 80 ГэВ/с² и ~ 90 ГэВ/с².
    Такие частицы были открыты в экспериментах К. Руббиа в ЦЕРН (Нобелевская премия по физике 1983 года). На ускорителе LEP в ЦЕРН были определены точные значения масс W^±- и Z⁰-бозонов:
m_W = 80.22±0.26 ГэВ/с² и m_Z = 91.1884±0.0022 Гэв/с². Связь между массами W^±-и Z⁰-бозонов существует в виде m_Z = m_W/cos θ_W. Из экспериментальных данных по нейтральным токам
sin²θ_W = 0.2553±0.0019, где θ_W − угол Вайнберга, который используется при объединении электромагнитных и слабых взаимодействий.
    Таким образом, слабые взаимодействия связаны с электромагнитными и на коротких расстояниях, когда q² >> M_WZ² они описываются одинаковыми эффективными сечениями. Слабость слабых взаимодействий связана с большой массой переносчиков этих взаимодействий. Радиус взаимодействия R_слаб ~ ћ/M_Wc ~ 10^-16 см, в то время как кулоновское взаимодействие из-за нулевой массы фотона имеет R_{эл.магн} = ∞.

3.7 Сильные взаимодействия

Теория сильного взаимодействия строится аналогично электродинамике и называется квантовой хромодинамикой (КХД). Она стала развиваться после высказанной в 1964 году М. Гелл-Маном и Г.Цвейгом (США) гипотезы о существовании кварков. Эксперименты по глубоконеупругому ер-рассеянию подтвердили эту гипотезу. Они показали, что нуклоны не являются точечными объектами, а состоят из кварков. В настоящее время установлено существование шести разновидностей кварков и, d, s, с, b, t и соответствующих им антикварков. Шестой кварк t обнаружен в 1994 году. Их названия происходят от английских слов up, down, strange, charm, beauty, truth. Кварки имеют дробный электрический заряд, равный 2/3 заряда электрона (u-, c-, t-кварки) и − -1/3 заряда электрона (d-, s-, b-кварки). Антикварки имеют противоположные знаки зарядов. Нуклоны состоят из трех кварков, например протон из u-, u-, d-кварков, нейтрон из u-, d-, d-кварков; а мезоны из двух: кварка и антикварка, например π⁺-мезон – u, π^--мезон – d. Чтобы избежать противоречия с принципом Паули, при обсуждении строения Ω^-(sss)-, Δ⁺⁺(uuu)- и Δ^-(ddd)-барионов Н.Н. Боголюбовым с сотрудниками было введено новое квантовое число „цвет", принимающее три значения, сумма которых равна нулю.
    Взаимодействие между кварками происходит путем обмена бозоном, названным глюоном. Это нейтральная, безмассовая частица. Главная характеристика ее − цветовой заряд, аналог электрического заряда. Однако вместо двух типов электрических зарядов, названных „плюс" и „минус", в КХД имеются три цветовых (сильных) заряда, названных "красный", "синий", "желтый", и три соответствующих антизаряда. Таким образом, сильный заряд кварков может принимать три значения. Сумма трех цветовых зарядов равна нулю. Взаимодействие между кварками можно свести к обмену цветом, т.е. к обмену глюоном. Можно представить, что глюон составлен из двух цветов − цвета и антицвета (табл. 12).

Таблица 12. Представление глюона ввиде комбинаций цвета и антицвета   к с з к с з к с з к с з

    Всего таких комбинаций  может быть 9, но одна из                     диагональных комбинаций нейтральна по цвету. Остается 8 действующих комбинаций, т.е. 8 глюонов. Условное обозначение цветами разных состояний кварков и глюонов дало название и теории взаимодействия кварков и глюонов - квантовая хромодинамика (КХД).

Экспериментальным подтверждением КХД стало обнаружение кварковых и глюонных струй в е⁺е^--аннигиляции (рис. 20).

Рис. 20. Диаграмма Фейнмана, иллюстрирующая образование кварковых и глюонных струй.

    В отличие от лептонов, которые наблюдаются в свободном состоянии, кварки и глюоны существуют только в связанном состоянии и не вылетают из адронов. Поэтому для сильных взаимодействий рассматриваются две области: область, для которой радиус взаимодействия r больше размера нуклона r_N и область, для которой радиус взаимодействия r меньше r_N. В первом случае взаимодействие можно рассматривать как обмен пионом (квантом ядерного поля). Тогда константа взаимодействия . Во втором случае происходит обмен глюоном и константа взаимодействия имеет более сложный характер и выражается через фундаментальную постоянную КХД-теории Λ (Λ = 100 – 300 МэВ/с) и квадрат переданного импульса q². При этом величина константы взаимодействия существенно меньше единицы для больших значений q²: . Поскольку на малых расстояниях взаимодействие между кварками очень слабое и константа взаимодействия α_s < 1, это состояние называется "асимптотическая свобода". На больших расстояниях (> r_N) цветные силы возрастают, они как бы удерживают кварки и не дают им вылететь из адрона. Это состояние невылетания называется "конфайнмент".Математически это выражается в уменьшении константы сильного взаимодействия.  Таким образом, константа сильного взаимодействия меняется с расстоянием. Кроме того, она изменяется и с энергией, поэтому ее называют бегущей константой. Это относится и к константе слабого взаимодействия. Экстраполяция всех бегущих констант в область предельно больших энергий, соответствующих малым расстояниям, приводит к величине 10¹⁵ ГэВ. При этой энергии все константы взаимодействий могут стать одинаковыми и исчезнет различие между типами взаимодействий (рис. 21). Модели, базирующиеся на существовании универсальной константы взаимодействия, называются теориями „великого объединения".

Рис. 21: Перспективы объединения взаимодействий.

3.8 Гравитационные взаимодействия

    Гравитация − неучитываемый эффект в физике элементарных частиц, но мы его рассмотрим.
    Гравитационное взаимодействие характеризуется гравитационной постоянной
G_N = 6.67·10^-8 см^-3г^-1с^-2, входящей в выражение константы гравитационного взаимодействия и определяющей его малую величину для элементарных частиц (табл. 10). Поэтому для массовой шкалы, принятой в физике высоких энергий, гравитационные связи пренебрежимо малы по сравнению с электромагнитным и другими фундаментальными взаимодействиями.
    Гравитационные эффекты могут быть важны только в том случае, когда гравитационная энергия системы сравнима с ее полной энергией,т.е. GM²/r = Мс². Оценим, при каких энергиях это может произойти. Если положить расстояние взаимодействия r равным комптоновской длине волны λ = ћ/Mc частицы с массой М, то получим М_Пл = (ћc/G)^1/2 ~ 10^-5 г. Этой массе М соответствует энергия Мс² ~ 10¹⁹ ГэВ. Такая масса называется планковской, она характеризует энергию, при которой могут наблюдаться гравитационные квантовые эффекты, например, процессы образования частиц в очень сильных гравитационных полях, аналогичные процессу рождения пар в электромагнитных полях.
    Комптоновская длина волны, соответствующая планковской массе, L_Пл = ћ/M_Плc ~ 10^-33 см. Эта величина интерпретируется как фундаментальная длина, а время Т_Пл = ћ/M_Плc ~ 10^-43 с − как элементарный временной интервал.
    Чтобы представить энергию, соответствующую планковской массе, заметим, что в настоящее время на ускорителях достигнута энергия 10⁶ ГэВ, а максимальная наблюденная в космических лучах энергия равна ~ 10¹¹ ГэВ.
    Релятивистской классической теорией гравитационных взаимодействий является общая теория относительности Эйнштейна, которая в пределе слабых гравитационных полей переходит в теорию тяготения Ньютона.
    В квантовой теории гравитационные взаимодействия переносятся гравитоном − частицей с нулевой массой и спином, равным 2. Однако последовательная теория квантовой гравитации до настоящего времени не создана.
    Основной характеристикой взаимодействий является константа взаимодействия а, определяющая силу взаимодействия на расстоянии, равном радиусу. Безразмерная константа а для указанных типов взаимодействий при Е_сцм ~ 1 ГэВ подчиняется отношению

1 : 10^-2 : 10^-10 : 10^-38,

в котором за единицу принято значение константы для сильного взаимодействия. Далее следуют значения констант для электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий. Другие характеристики взаимодействий см. в табл. 10.

3.8.1 Константы взаимодействий и последствия их сравнения

    Константа электромагнитного взаимодействия α_е = 1/137.
    Константа слабого взаимодействия α_w = G_F·rn_p² = 10^-5,
где G_F = 10^-49 эрг/см² − константа Ферми.
    Константа сильного взаимодействия α_s(q²) ≈ 1/ln(q²/Λ²) = a/ln(M_x²/Λ²),
где Λ = 100 МэВ − фундаментальная константа КХД, a ≈ 1/4 (для 6 кварков).
    Константа гравитационного взаимодействия α_g = G_N·rn_p² = 10^-38,
где G_N= 6.67·10^-8 см³г^-1с^-2 − константа Ньютона.
    Сравнивая константы друг с другом, можно получить оценку масс М_х переносчиков соответствующих объединенных взаимодействий.
    Если объединить сильное взаимодействие с электромагнитным, т.е. приравнять α_s(M_x) ≈ α_е, то получим

М_х ≈ 10¹⁶ ГэВ.

    Если объединить слабое взаимодействие с сильным, т.е. положить α_w ≈α_s(m), то.

М_х ≈ 10¹⁵ ГэВ.

    Если объединить все взаимодействия, т.е. приравнять α_g ≈ α_w ≈ α_е ≈ α_s, то

М_х = М_Пл·α_u^1/2 ≈ 10¹⁸ ГэВ,

где М_Пл = G_N^-1/2 ≈ 10¹⁹ ГэВ − масса Планка.
    Объединение взаимодействий может происходить при разных значениях масс виртуальных частиц, при обмене которыми реализуется взаимодействие. Поскольку константы взаимодействий зависят от q², они получили название 'бегущие константы".
    Если объединение взаимодействий произойдет при энергии ~ 10¹⁵ ГэВ, то можно предположить, что это вызовет распад протона, который связан с супертяжелой частицей М_х = 10¹⁵ ГэВ. Поиск распада протона ведется во многих лабораториях мира. Одна из возможных мод распада р → π⁰ + е⁺. До сих пор распад протона не обнаружен. Экспериментаторы оценивают время жизни протона τ_р > 10³³ лет.

3.8.2 Константа сильного взаимодействия

    Остановимся подробнее на константе сильного взаимодействия

Λ ~ 0.1 ГэВ − масштабный параметр КХД, μ² − характерный импульс кварка в адроне, b =11 − 2n_f/3; n_f − число ароматов кварков.
    КХД − теория взаимодействия цветных точечных объектов, которая строится по аналогии с КЭД. В КХД рассматривается взаимодействие кварков на расстоянии r, которое на опыте определяется через квадрат переданного 4-импульса Q² ~ 1/r². На рис. 22 представлена диаграмма Фейнмана и кварковая струна q₁q₂ между двумя взаимодействующими кварками. Взаимодействие частицы а с частицей b, приводящее к рождению частиц с и d: подчиняется закону сохранения 4-импульса:

_a + _b = _c + _d,

где − 4-импульс соответствующей частицы, причем ² = m². Квадрат переданного 4-импульса Q² = −t: где t = (_a − _c)².

Рис. 22. Диаграмма Фейнмана и кварковая струна в КХД.

    На рис. 23 и 24 проиллюстрирована аналогия между КЭД и КХД. На этих рисунках изображены диаграммы, описывающие поляризацию в КЭД и в КХД.

Рис. 23: Диаграммы, описывающие поляризацию электромагнитного вакуума.

Рис. 24: Диаграммы, описывающие поляризацию квантово-хромодинамического вакуума.

    В КЭД наступает поляризация вакуума из-за рождения е⁺е^--пар, которые экранируют электрический заряд.
    Точность КЭД определяется количеством е⁺е^--петель и числом α_е, используемыми при вычислении сечений в теории возмущений. Поскольку α_е < 1, ряд оказывается сходящимся и квантовая электродинамика рассматривается в настоящее время как наиболее точная теория в физике высоких энергий.
    В КХД также могут образовываться кварковые петли q − они приводят к экранировке заряда, как и в КЭД, и глюонные петли, которые приводят к антиэкранировке. Наличие глюонных петель отличает КХД от КЭД.

Рис. 25. Зависимость константы сильного взаимодействия от расстояния.

    Зависимость константы сильного взаимодействия α_s от расстояния r показана на рис. 25. Константа α_s < 1при расстояниях r < 10^-13 см, где r_р − радиус протона. Внутри протона кварки ведут себя как свободные частицы, т.е. они асимптотически свободны. За пределами протона свободных кварков нет, т.е. наступает конфайнмент.

3.9 Свойства основных типов взаимодействий для фундаментальных фермионов

    Сравнение конфигураций силовых линий в сильном и электромагнитном взаимодействиях представлено на рис. 26. Из-за сильного глюон-глюонного взаимодействия цветовое поле q, схематически представленное на рис. 26а, стягивается в струну (или трубку). Струна, подвергнутая возбуждению, разрывается и эта процедура приводит к образованию двух струн, а при последующих возбуждениях − к образованию многих струн. Схема процесса показана на рис. 27 (возбуждение изображается стрелкой). Каждую q струну можно рассматривать как мезон, а процесс образования многих струн есть процесс множественного рождения мезонов. При существующих энергиях возбуждения не удается разорвать струну с выделением отдельных кварков q или . Это явление названо конфайнментом.

Рис. 27: Образование струн при возбуждении кварка и антикварка.

    Схематическое изображение разных взаимодействий, происходящих на кварковом уровне, показано на рис. 28.

Рис. 28. Схематическое изображение разных взаимодействий, происходящих на кварковом уровне:
а − распад Δ⁺⁺ → π⁺р; символическая схема, напоминающая, что Δ⁺⁺ распадается через сильное взаимодействие (с радиусом действия 1 Ф); б − β-распад, происходящий за счет слабого взаимодействия; массивный W-бозон испускается и поглощается с вероятностью α_w, в − распад мюона.

    В табл. 13 представлены основные типы взаимодействий и их диаграммы для кварков и лептонов.

Таблица 13. Основные типы взаимодействий для кварков и лептонов

Взаимодействие	Заряд	Кварки	Лептоны
Сильное	Цвет		Не участвуют
Электромагнитное	Электрический заряд
Слабое	Слабый заряд g, приводящий к переходам u → d, ν → е-,  → ν, изменяющим аромат

3.10 Стандартная Модель физики частиц

    Современное представление о физике частиц содержится в так называемой Стандартной Модели. Стандартная Модель физики частиц базируется на квантовой электродинамике, квантовой хромодинамике и кварк-партонной модели.
    Квантовая электродинамика (КЭД) − высокоточная теория − описывает процессы, происходящие под действием электромагнитных сил, которые изучены с высокой степенью точности.
    Квантовая хромодинамика (КХД), описывающая процессы сильных взаимодействий, строится по аналогии с КЭД, но в большей степени это полуэмпирическая модель.
    Кварк-партонная модель объединяет теоретические и экспериментальные результаты исследований свойств частиц и их взаимодействий.
    До сего времени не обнаружено отклонений от Стандартной Модели.