Теория элементарных частиц

     В физике принято различать четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.   Соответственно, существуют четыре  класса элементарных частиц:

Элементарные частицы

• адроны, которые участвуют во всех типах взаимодействий (они делятся на барионы и мезоны);

• лептоны, не участвующие только в сильном взаимодействии (из них нейтрино не участвуют  в электромагнитном взаимодействии, благодаря чему они проходят, не взаимодействуя, сквозь толщу материи);

• фотон, участвующий только в электромагнитном взаимодействии;

• гипотетический гравитон - переносчик гравитационного взаимодействия.

    Основное направление представлено здесь квантовой теорией поля (полей). Исходной "затравочной" моделью в этом случае является поле, посредством которого осуществляется взаимодействие между зарядами. Это  электромагнитное поле (квантовая электродинамика), по аналогии с которым вводятся другие квантовые поля и заряды для так называемых слабого и сильного взаимодействий.

    Квантовая теория поля является попыткой расширить эту физическую модель на другие "элементарные" частицы, вводя соответствующие квантовые поля (глюоны для сильного и промежуточные бозоны для слабого взаимодействия) и заряды.   Так, в наиболее популярной сегодня квантовой теории поля для сильного взаимодействия используется кварко-глюонная физическая модель, в которой роль частиц (электронов и позитронов в КЭД) играют кварки, а роль носителей взаимодействия между ними (фотонов в КЭД) - глюоны (от слова "клей"). В отличие от фотонов, глюонов приходится вводить много (их различают по "цвету" - новому квантовому числу), и они обладают массой.

    Существенной особенностью этой теории является принципиальная ненаблюдаемость свободных кварков (частиц с дробным электрическим зарядом), из которых составляют адроны. Вводимое в математическом представлении сильное нелинейное глюонное взаимодействие обладает тем свойством, что на малых расстояниях (порядка размера ядер атомов) взаимодействие между кварками столь мало, что они ведут себя как почти свободные частицы. Но при увеличении расстояния величина взаимодействия   быстро растет до сколь угодно больших величин. Этим пытаются объяснить ненаблюдаемость их в свободном состоянии.

    В рамках квантовой теории поля вводится, наряду с известными в нерелятивистской квантовой механике величинами (энергией, импульсом, спином), ряд новых, так называемых "внутренних" (или "динамических"), характеристик, введенных для описания и систематизации множества адронов (представляемых в кварко-глюонной теории поля как совокупность двух (мезоны) или трех (барионы) кварков) типа "изотопического спина".

   Успехи в создании полевых теорий различных взаимодействий стимулируют усилия, направленные на создание единой квантовой теории поля, объединяющей все эти частицы и взаимодействия (важнейшими инструментами в этом направлении являются различные симметричные соображения и связанный с ними мощный математический аппарат теории групп).

    Однако пока удалось добиться лишь объединения электромагнитного и слабого взаимодействия в рамках теории Вайнберга и Салама. В качестве переносчиков слабого взаимодействия в этой теории выступают промежуточные W⁺, W^-, Z⁰-бозоны, которые, в отличие от своих электромагнитных аналогов - фотонов, обладают массой покоя.

    Наряду с попытками построения единой теории поля (в ходе которых его размерность постоянно растет) существует направление, пытающееся ввести новую модель для описания элементарных частиц - модель струны. Но степень успешности этого относительно молодого направления еще неясна.