Rhyngweithiad cryf

Rhyngweithiad cryf
Enghraifft o'r canlynol	rhyngweithiad sylfaenol
Math	elementary particle interaction
	Ffeiliau perthnasol ar Gomin Wicimedia

Mewn ffiseg niwclear a ffiseg gronynnau, rhyngweithio cryf yw'r mecanwaith sy'n gyfrifol am y grym niwclear cryf, ac mae'n un o'r pedwar rhyngweithiad sylfaenol hysbys. Y lleill yw: electromagnetiaeth, rhyngweithio gwan, a disgyrchiant. Ar yr ystod 10⁻¹⁵ m (1 femtometer), mae'r grym cryf oddeutu 137 gwaith mor gryf ag electromagnetiaeth, miliwn gwaith mor gryf â'r rhyngweithio gwan, a 10³⁸ gwaith mor gryf â disgyrchiant.

Mae'r grym niwclear cryf yn dal y mater mwyaf cyffredin gyda'i gilydd oherwydd ei fod yn cyfyngu cwarciau i ronynnau hadron fel y proton a'r niwtron. Yn ogystal, mae'r grym cryf yn rhwymo'r niwtronau a'r protonau hyn i greu niwclysau atomig. Mae'r rhan fwyaf o fàs proton neu niwtron cyffredin yn ganlyniad i egni maes grym cryf; dim ond tua 1% o fàs proton y mae'r cwarciau unigol yn ei ddarparu.^[1]

Mae'r rhyngweithio cryf yn weladwy ar ddwy ystod ac yn cael ei gyfryngu gan ddau gludwr grym. Ar raddfa fwy (tua 1 i 3 fm), y grym (sy'n cael ei gario gan mesonau) sy'n clymu protonau a niwtronau (niwcleonau) gyda'i gilydd i ffurfio cnewyllyn atom. Ar y raddfa lai (llai na thua 0.8 fm, radiws niwcleon), y grym (sy'n cael ei gario gan gliwonau^[2]) sy'n dal cwarciau gyda'i gilydd i ffurfio protonau, niwtronau, a gronynnau hadron eraill.^[3] Yn y cyd-destun olaf, fe'i gelwir yn aml yn rym lliw. Mae gan y grym cryf yn ei hanfod gryfder mor uchel fel y gall hadronau sy'n rhwym i'r grym cryf gynhyrchu gronynnau enfawr newydd. Felly, os yw hadronau yn cael eu taro gan ronynnau egni uchel, maent yn arwain at hadronau newydd yn hytrach nag allyrru ymbelydredd sy'n symud yn rhydd (gliwonau). Gelwir y briodwedd hon o'r grym cryf yn "gaethiwo lliw" (color confinement), ac mae'n atal "allyrru" rhydd y grym cryf: yn hytrach, yn ymarferol, cynhyrchir jetiau o ronynnau enfawr.

Yng nghyd-destun niwclysau atomig, mae'r un grym rhyngweithio cryf sy'n clymu cwarciau o fewn niwcleon hefyd yn clymu protonau a niwtronau gyda'i gilydd i ffurfio niwclews. Yn rhinwedd y swydd hon fe'i gelwir yn rym niwclear (neu'r grym cryf gweddilliol). Felly mae'r gweddillion o'r rhyngweithio cryf o fewn protonau a niwtronau hefyd yn clymu niwclysau gyda'i gilydd.^[3]

Yn hynny o beth, mae'r rhyngweithio cryf gweddilliol yn ufuddhau i ymddygiad sy'n dibynnu ar bellter rhwng niwcleonau sy'n dra gwahanol i'r hyn sy'n digwydd i rwymo cwarciau o fewn niwcleonau. Yn ogystal, mae gwahaniaethau yn bodoli yn egni rhwymol grym niwclear yr ymasiad niwclear yn erbyn ymholltiad niwclear. Mae ymasiad niwclear yn cyfrif am y mwyafrif o gynhyrchu ynni yn yr Haul a sêr eraill. Mae ymholltiad niwclear yn caniatáu dadelfennu elfennau ymbelydrol ac isotopau, er ei fod yn aml yn cael ei gyfryngu gan y rhyngweithio gwan. Yn artiffisial, mae'r egni sy'n gysylltiedig â'r grym niwclear yn cael ei ryddhau'n rhannol mewn grym niwclear ac arfau niwclear, mewn arfau ymholltiad wraniwm neu blwtoniwm ac mewn arfau ymasiad fel y bom hydrogen.^[4]^[5]

Mae'r rhyngweithio cryf yn cael ei gyfryngu gan gyfnewid gronynnau di-fás o'r enw "gliwonau" sy'n gweithredu rhwng cwarciau, gwrth-gwarciau a gliwonau eraill. Credir bod glwonau yn rhyngweithio â chwarciau a glwonau eraill trwy fath o wefr o'r enw "gwefr lliw". Mae gwefr lliw yn cyfateb i wefr electromagnetig, ond mae mewn tri math (± coch, ± gwyrdd, ± glas) yn hytrach nag un, sy'n arwain at fath gwahanol o rym, gyda rheolau ymddygiad gwahanol. Manylir ar y rheolau hyn yn theori cromodynameg cwantwm (QCD), sef theori rhyngweithio cwarc-gliwon.

Hanes

Cyn y 1970au, roedd ffisegwyr yn ansicr ynghylch sut roedd y niwclews atomig wedi'i rwymo gyda'i gilydd. Roedd yn hysbys bod y niwclews yn cynnwys protonau a niwtronau a bod protonau yn meddu ar wefr drydanol positif, tra bod niwtronau yn drydanol niwtral. Trwy ddeall ffiseg yr oes honno, byddai gwefrau positif yn gwrthyrru ei gilydd a dylai'r protonau â gwefr bositif beri i'r niwclews wahanu. Fodd bynnag, ni arsylwyd hyn erioed. Roedd angen ffiseg newydd i egluro'r ffenomen hon.

Cynosodwyd grym atynol cryfach i egluro sut roedd y niwclews atomig yn rhwym, er gwaethaf gwrthyriad electromagnetig y protonau. Galwyd y grym damcaniaethol hwn yn "rym cryf", y credwyd ei fod yn rym sylfaenol a oedd yn gweithredu ar y protonau a'r niwtronau sy'n ffurfio'r niwclews.

Darganfuwyd yn ddiweddarach, fodd bynnag, nad oedd protonau a niwtronau yn ronynnau sylfaenol, ond eu bod yn cynnwys gronynnau cyfansoddol o'r enw cwarciau. Yr atyniad cryf rhwng niwcleonau oedd sgil-effaith grym mwy sylfaenol a rwymodd y cwarciau gyda'i gilydd yn brotonau a niwtronau. Mae theori cromodynameg cwantwm yn esbonio bod cwarciau'n cario'r hyn a elwir yn "wefr lliw" (gweler uchod), er nad oes ganddo unrhyw berthynas â lliw gweladwy.^[6] Mae cwarciau â gwefr lliw gwahanol yn denu ei gilydd o ganlyniad i'r rhyngweithio cryf, a gelwid y gronyn sy'n cyfryngu hyn yn "gliwon".

Ymddygiad rhyngweithiad cryf

Defnyddir y gair cryf gan mai'r rhyngweithio cryf yw'r "cryfaf" o'r pedwar grym sylfaenol. Ar bellter o 1 femtometer (1 fm = 10⁻¹⁵ metr) neu lai, mae ei gryfder oddeutu 137 gwaith cryfder y grym electromagnetig, rhyw 10⁶ gwaith cymaint â chryfder y grym gwan, a thua 10³⁸ gwaith cryfder y disgyrchiant.

Disgrifir y grym cryf gan gromodynameg cwantwm (QCD), rhan o'r model safonol o ffiseg gronynnau. Yn fathemategol, damcaniaeth mesur nad yw'n Abeliaidd yw QCD sy'n seiliedig ar grŵp cymesuredd (mesurydd) lleol o'r enw SU(3).

Gronyn cludwr grym y rhyngweithio cryf yw'r gliwon, boson di-fàs. Yn wahanol i'r ffoton mewn electromagnetiaeth, sy'n niwtral, mae gan y gliwon wefr lliw. Cwartciau a gliwonau yw'r unig ronynnau sylfaenol sy'n cario gwefr lliw nad yw'n diflannu, ac felly maent yn cymryd rhan mewn rhyngweithio cryf â'i gilydd yn unig. Y grym cryf yw mynegiant y rhyngweithio gliwon â gronynnau cwarc a gliwon eraill.

Mae'r holl gwarciau a gliwonau yn QCD yn rhyngweithio â'i gilydd trwy'r grym cryf. Mae cryfder y rhyngweithio yn cael ei baramedreiddio gan y cysonyn cyplu cryf. Addasir y cryfder hwn gan wefr lliw mesurydd y gronyn, priodwedd damcaniaethol grŵp.

Mae'r grym cryf yn gweithredu rhwng cwarciau. Yn wahanol i'r holl rymoedd eraill (electromagnetig, rhyngweithiad gwan a disgyrchiant), nid yw'r grym cryf yn gwahanhau gyda phellter cynyddol rhwng parau o gwarciau. Ar ôl cyrraedd pellter cyfyngol (tua maint hadron), mae'n parhau i fod oddeutu 10,000 o newtonau (N) o ran cryfder, waeth faint yw'r pellter rhwng y cwarciau.^[7] Wrth i'r gwahaniad rhwng y cwarciau dyfu, mae'r egni sy'n cael ei ychwanegu at y pâr yn creu parau newydd o gwarciau paru rhwng y ddau wreiddiol; felly mae'n amhosibl creu cwarciau ar wahân. Yr esboniad yw bod maint y gwaith a wneir yn erbyn grym o 10,000 newton yn ddigon i greu parau gronynnau-gwrthcarticl o fewn pellter byr iawn i'r rhyngweithio hwnnw. Byddai'r union egni a ychwanegir at y system sy'n ofynnol i wahanu dwy gwarc yn creu pâr o gwarciau newydd a fydd yn paru gyda'r rhai gwreiddiol. Yn QCD, gelwir y ffenomen hon yn "gaethiwo lliw"; o ganlyniad dim ond hadronau, nid cwarciau rhydd unigol, y gellir eu harsylwi. Ystyrir bod methiant yr holl arbrofion sydd wedi chwilio am gwarciau rhydd yn dystiolaeth o'r ffenomen hon.

Nid oes modd arsylwi'n uniongyrchol ar y gronynnau cwarc elfennol a gliwn sy'n gysylltiedig â gwrthdrawiad egni uchel. Mae'r rhyngweithio'n cynhyrchu jetiau o hadronau sydd newydd eu creu y gellir eu gweld. Mae'r hadronau hynny'n cael eu creu, fel amlygiad o gywerthedd egni màs, pan fydd digon o egni'n cael ei ddyddodi i fond cwarc-cwarc, fel pan fydd cwarc mewn un proton yn cael ei daro gan gwarc cyflym iawn o broton arall sy'n effeithio yn ystod arbrawf cyflymydd gronynnau. Fodd bynnag, arsylwyd ar blasmas cwarc-gliwon.^[8]

Gweddilliad

Yn y cyfnod ôl-Big Bang nid yw'n wir bod pob cwarc yn y bydysawd yn denu pob cwarc arall. Mae cyfyngu lliw yn awgrymu bod y grym cryf yn gweithredu heb leihau pellter yn unig rhwng parau o gwarciau, ac mewn casgliadau cryno o gwarciau wedi'u rhwymo (hadronau), mae gwefr-lliw net y cwarciau yn canslo allan yn y bôn, gan arwain at derfyn gweithredu y grymoedd lliw: o bellteroedd yn agosáu at radiws proton neu'n fwy na radiws proton, mae'n ymddangos nad oes gan gasgliadau cryno o gwarciau (hadronau) unrhyw wefr lliw, neu'n "ddi-liw", ac felly mae'r grym cryf bron yn absennol rhwng yr hadronau hynny. Fodd bynnag, nid yw'r canslo yn hollol berffaith, ac mae grym gweddilliol (a ddisgrifir isod) yn parhau. Mae'r grym gweddilliol hwn yn lleihau'n gyflym gyda phellter, ac felly mae'n amrediad byr iawn (ychydig femtomedrau i bob pwrpas). Mae'n ymddangos fel grym rhwng yr hadronau "di-liw", ac weithiau fe'i gelwir yn "rym niwclear cryf" neu'n syml, yn "rym niwclear".

Mae'r grym niwclear yn gweithredu rhwng hadronau, a elwir yn "fesonau a baryonau". Mae'r "grym cryf gweddilliol" hwn, sy'n gweithredu'n anuniongyrchol, yn trosglwyddo gliwonau sy'n rhan o'r rhith mesonau π a ρ, sydd, yn eu tro'n trosglwyddo'r grym rhwng niwcleonau sy'n dal y niwclews (y tu hwnt i brotiwm) gyda'i gilydd.

Felly mae'r grym cryf gweddilliol yn weddilliad bach o'r grym cryf sy'n clymu cwarciau gyda'i gilydd yn brotonau a niwtronau. Mae'r un grym hwn yn llawer gwannach rhwng niwtronau a phrotonau, oherwydd ei fod wedi'i niwtraleiddio ynddynt yn bennaf, yn yr un modd ag y mae grymoedd electromagnetig rhwng atomau niwtral (grymoedd van der Waals) yn wannach o lawer na'r grymoedd electromagnetig sy'n dal electronau mewn cysylltiad â'r niwclews, gan ffurfio'r atomau.

Darllen pellach

Christman, J.R. (2001). "MISN-0-280: The Strong Interaction" (PDF). Project PHYSNET. External link in |website= (help)
Griffiths, David (1987). Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-60386-3.
Halzen, F.; Martin, A.D. (1984). Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-88741-6.
Kane, G.L. (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 978-0-201-11749-3.
Morris, R. (2003). The Last Sorcerers: The Path from Alchemy to the Periodic Table. Joseph Henry Press. ISBN 978-0-309-50593-2.

Cyfeiriadau

↑ Mae cryfder cymharol rhyngweithio yn amrywio yn ôl pellter. Gweler er enghraifft draethawd Matt Strassler, "The strength of the known forces".
↑ Geiriadur Bangor
↑ ^3.0 ^3.1 Y pedwar grym: gwefan rhyngweithio cryf Adran Astroffiseg Prifysgol Duke
↑ on Binding energy: see Binding Energy, Mass Defect Archifwyd 2017-06-18 yn y Peiriant Wayback, Furry Elephant physics educational site, retr 2012-07-01
↑ Ar Binding energy: gweler Pennod 4 Nuclear Processes, The Strong Force, M. Ragheb 1/27/2012, Prifysgol Illinois
↑ Feynman, R.P. (1985). QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press. t. 136. ISBN 978-0-691-08388-9. The idiot physicists, unable to come up with any wonderful Greek words anymore, call this type of polarization by the unfortunate name of 'color', which has nothing to do with color in the normal sense.
↑ Fritzsch, op. cite, p. 164. Dywed yr awdur fod y grym rhwng cwarciau o wahanol liwiau'n aros yn gyson ar unrhyw bellter ar ôl iddynt deithio dim ond pellter bach oddi wrth ei gilydd, a'i fod yn hafal i'r hyn sydd ei angen i godi tunnell, sef 1000 kg × 9.8 m/s² = ~10,000 N.
↑ "Quark–gluon plasma is the most primordial state of matter". About.com Education. Archifwyd o'r gwreiddiol ar 2017-01-18. Cyrchwyd 2017-01-16.

[1] Mae cryfder cymharol rhyngweithio yn amrywio yn ôl pellter. Gweler er enghraifft draethawd Matt Strassler, "The strength of the known forces".

[2] Geiriadur Bangor

[webhome.phy.duke.edu-3] 3.0 ^3.1 Y pedwar grym: gwefan rhyngweithio cryf Adran Astroffiseg Prifysgol Duke

[4] Binding energy: see Binding Energy, Mass Defect Archifwyd 2017-06-18 yn y Peiriant Wayback, Furry Elephant physics educational site, retr 2012-07-01

[5] Ar Binding energy: gweler Pennod 4 Nuclear Processes, The Strong Force, M. Ragheb 1/27/2012, Prifysgol Illinois

[6] Feynman, R.P. (1985). QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press. t. 136. ISBN 978-0-691-08388-9. The idiot physicists, unable to come up with any wonderful Greek words anymore, call this type of polarization by the unfortunate name of 'color', which has nothing to do with color in the normal sense.

[7] Fritzsch, op. cite, p. 164. Dywed yr awdur fod y grym rhwng cwarciau o wahanol liwiau'n aros yn gyson ar unrhyw bellter ar ôl iddynt deithio dim ond pellter bach oddi wrth ei gilydd, a'i fod yn hafal i'r hyn sydd ei angen i godi tunnell, sef 1000 kg × 9.8 m/s² = ~10,000 N.

[8] "Quark–gluon plasma is the most primordial state of matter". About.com Education. Archifwyd o'r gwreiddiol ar 2017-01-18. Cyrchwyd 2017-01-16.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]