Взаимодействие Юкавы (F[gnbk;ywvmfny ?tgfd)

Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике элементарных частиц взаимодействие Юкавы, названное в честь Хидэки Юкавы — это взаимодействие между скалярным полем и дираковским полем :

(скаляр) или (псевдоскаляр).

Взаимодействие Юкавы можно использовать для описания сильных ядерных сил между нуклонами (которые являются фермионами), переносимых пионами (которые являются псевдоскалярными мезонами). Взаимодействие Юкавы также используется в рамках Стандартной модели для описания связи между хиггсовским полем и безмассовыми полями кварков и электронов. Посредством механизма спонтанного нарушения симметрии фермионы обретают массу, пропорциональную среднему ожидаемому значению поля Хиггса.

Действие для мезонного поля , взаимодействующего c дираковским фермионным полем :

где интегрирование выполняется по d измерениям (обычно 4 для четырёхмерного пространства-времени). Лагранжиан мезонного поля:

.

Здесь  — член, отвечающий за самодействие. Для свободного массивного мезона он равен где масса мезона. Для (перенормируемого) самодействующего поля он равен где λ константа связи. Этот потенциал подробно рассматривается в статье взаимодействие четвёртого порядка.

Свободный лагранжиан Дирака равен

где m — положительная, действительная масса фермиона. Лагранжиан взаимодействия Юкавы равен

где g — (действительная) константа связи для скалярных мезонов и

для псевдоскалярных мезонов. Учитывая вышесказанное, действие можно записать как

Классический потенциал

[править | править код]

Если два скалярных мезона взаимодействуют посредством взаимодействия Юкавы, то потенциал между двумя частицами будет равен:

потенциал Юкавы (такой же, как и кулоновский потенциал, если не учитывать знак и экспоненциальный фактор). Из-за знака взаимодействие Юкавы может быть только притяжением для всех частиц (электромагнитное взаимодействие является отталкиванием для одинаковых частиц). Это объясняется тем фактом, что частица Юкавы имеет нулевой спин, а чётный спин всегда приводит к потенциалу притяжения. Экспонента дает взаимодействию конечную дальность, так что частицы на больших расстояниях не взаимодействуют.

Спонтанное нарушение симметрии

[править | править код]

Пусть потенциал имеет минимум не при , а при каком-то ненулевом значении . Это возможно, если написать (например) и затем присвоить μ мнимое значение. В этом случае можно сказать, что лагранжиан показывает спонтанное нарушение симметрии. Ненулевое значение φ называется средним ожидаемым значением φ. В Стандартной модели это ненулевое значение ответственно за ненулевые фермионные массы, как показано ниже.

Чтобы показать член, содержащий массу, можно выразить действие через поле , где понимается как константа, независимая от положения. Мы видим, что выражение Юкавы имеет член

и поскольку g и  — константы, этот член выглядит точно как массовый член для фермиона с массой . Это механизм, посредством которого спонтанное нарушение симметрии придает массу фермионам. Поле известно как Поле Хиггса.

Форма Майорана

[править | править код]

Также возможно получить взаимодействие Юкавы между скаляром и полем Майорана. На самом деле, взаимодействие Юкавы между скаляром и спинором Дирака можно рассматривать как взаимодействие Юкавы между скаляром и двумя спинорами Майорана одной массы. Раскрыв в терминах двух хиральных спиноров Майорана, получим

где g — комплексная константа связи, а m — комплексное число.

Правила Фейнмана

[править | править код]

Статья потенциал Юкавы содержит простой пример правил Фейнмана и вычисление амплитуды рассеяния по диаграмме Фейнмана, соответствующей взаимодействию Юкавы.