Сильна взаємодія, також відома як сильна ядерна сила, є однією з чотирьох фундаментальних сил природи, поряд із гравітацією, електромагнетизмом і слабкою ядерною силою. Ця сила відповідає за утримання разом протонів і нейтронів у ядрі атома, незважаючи на електромагнітну силу відштовхування між позитивно зарядженими протонами. Сильна взаємодія діє на дуже коротких відстанях, порядку \(10^{-15}\) метрів, і є найсильнішою з чотирьох фундаментальних сил.
У найдрібніших масштабах сильна взаємодія діє між кварками, будівельними блоками протонів і нейтронів (разом відомих як нуклони). Кварки утримуються разом частинками, званими глюонами, які діють як посередники сильної сили. Механізм взаємодії кварків і глюонів описується теорією під назвою квантова хромодинаміка (КХД).
На відміну від електромагнетизму, який опосередковується фотонами і діє між зарядженими частинками, сильна взаємодія характеризується обміном глюонами між кварками. Глюони унікальні, оскільки вони несуть тип заряду, відомий як «кольоровий заряд». Кварки бувають трьох кольорів: червоний, зелений і синій, а глюони можуть поєднувати колір і антикольор. Цей колірний заряд відповідає за властивості сильної сили, що забезпечує стабільність атомного ядра.
Глюони — це безмасові частинки, які, як і фотони в електромагнетизмі, є посередниками сили між частинками. Однак самі глюони несуть кольоровий заряд і тому можуть взаємодіяти один з одним. Ця взаємодія між глюонами призводить до явища, відомого як конфайнмент, гарантуючи те, що кварки ніколи не існують незалежно, а завжди пов’язані разом у групи (наприклад, протони та нейтрони).
КХД — це теоретична основа, яка описує сильну взаємодію. Це пояснює, як кварки та глюони взаємодіють через обмін кольоровими зарядами. Одним із найцікавіших аспектів КХД є те, що сила між кварками не зменшується, коли вони розсуваються, на відміну від гравітаційних або електромагнітних сил. Натомість сила залишається постійною або навіть зростає з відстанню, що призводить до утримання кварків у нуклонах.
Математично потенційна енергія ( \(V\) ) між двома кварками описується рівнянням:
\(V = -\frac{\alpha_{s}}{r} + kr\)де \(r\) — відстань між кварками, \(\alpha_{s}\) — константа сильного зв’язку (яка визначає силу сильної сили), а \(k\) — константа натягу струни, пов’язана до майна ув'язнення. Перший член представляє зменшення потенційної енергії на дуже коротких відстанях (аналогічно силі Кулона в електромагнетизмі), тоді як другий член представляє лінійне збільшення потенціальної енергії з відстанню, що ілюструє обмеження.
Одним із ключових експериментальних доказів існування кварків і сильної взаємодії стали експерименти з глибоко непружного розсіювання. У цих експериментах високоенергетичні електрони розсіюються від нуклонів, а закономірності розсіювання є доказом існування менших, точкових складових у нуклонах, а саме кварків.
Ще один важливий набір експериментів, пов’язаних із сильною взаємодією, — це ті, що включають створення кварк-глюонної плазми. У зіткненнях з дуже високою енергією, таких як ті, що відбуваються на Великому адронному колайдері (LHC), можуть створюватися умови, подібні до тих, що відбувалися відразу після Великого вибуху. За цих умов кварки та глюони можуть вільно переміщатися за межі окремих нуклонів, утворюючи кварк-глюонну плазму. Цей стан речовини забезпечує унікальну лабораторію для вивчення властивостей сильної сили в екстремальних умовах.
Сильна взаємодія необхідна для стабільності матерії у Всесвіті. Без нього атомне ядро не змогло б подолати електромагнітне відштовхування між протонами, а атоми не могли б існувати в своїй нинішній формі. Крім того, сильна сила відіграє вирішальну роль у процесах, які живлять зірки, включно з нашим Сонцем. Ядерний синтез, процес, який вивільняє енергію в зірках, стає можливим завдяки сильній взаємодії, що долає відштовхування між ядрами.
У сфері фізики елементарних частинок дослідження сильної взаємодії та КХД призвели до відкриття багатого спектру частинок, відомих як адрони (до яких належать протони, нейтрони та більш екзотичні частинки). Розуміння сильної взаємодії також є ключовим для розкриття таємниць раннього Всесвіту, оскільки воно керувало поведінкою матерії в екстремальних умовах, які існували незабаром після Великого вибуху.
Підсумовуючи, сильна взаємодія є фундаментальною силою природи, яка відіграє вирішальну роль у структурі та стабільності матерії, а також у динаміці Всесвіту. Завдяки постійним дослідженням і експериментам вчені продовжують досліджувати складність цієї сили, пропонуючи глибше розуміння тканини реальності.
