Footon ja virtuaalsed osakesed
Meie fundamentaalosakeste tabelist puudub footon. Põhjus on selles, et footonil on täita teistest erinev roll. Footon esineb nimelt kui elektromagnetilise jõu kandja. Täpne elektromagnetilise vastastikmõju teooria – kvantelektrodünaamika – seletab kahe elektrilaengu tõmbumist või tõukumist nii, et tegelikult vahetavad nad kogu aeg footoneid. Katsete abil neid footoneid selles rollis avastada ei saa, sest nende parameetrid ei vasta vabade osakeste parameetritele. Tavaline footon kannab energiat ja impulssi kindlas seoses ja vastavalt liikumise suunale, vastastikmõju kandev footon aga pole ise jäävuse seadustega kitsendatud.
Selliseid osakesi nimetatakse virtuaalseteks. Virtuaalset osakest ei saa püüda, sest siis oleks tulemuseks jäävuse seaduse rikkumine. Osakeste füüsika lubab mistahes osakesel esineda kas reaalsena või virtuaalsena.
Kuigi virtuaalsed osakesed on nähtamatud, on neil meie maailmas täita väga tähtis roll. On ju virtuaalsete footonite poolt tekitatud elektriline tõmbumine see, mis hoiab koos nii elektrone aatomis, aatomeid molekulis kui ka molekule kehades.
Gluuonid ja π-mesonid
Niisugused vahendavad virtuaalsed osakesed on omased kõigile vastastikmõju liikidele. Tugevat vastastikmõju kvarkide vahel vahendavad gluuonid. Gluuoneid on kaheksa eri tüüpi, neil pole seisumassi ega elektrilaengut (nagu footonilgi), kuid erinevalt footonist kannavad nad vastastikmõju laengut, s.t nad on „värvilised”.
Gluuonid põhjustavad tugevat vastastikmõju.
Gluooni värvilaengud
Vahetades gluuoneid, vahetavad kvargid värvilaenguid. Selleks, et kvark ei jääks gluuonit välja kiirates ilma värvita, peab lahkuv gluuon üht värvi ära viies samas teise kohe kvargile maha jätma. Seepärast kannab gluuon, sõltuvalt tüübist, korraga üht värvi ja üht antivärvi.
Seega on näiteks prootonis nii kvargid kui ka gluuonid, kuid kvarke on alati kolm, igal hetkel kolme eri värvi, gluuonite arv pole määratud, nad aina tekivad ja kaovad, vahetades kvarkide värve.
Me teame nüüd, kuidas tekib tugev vastastikmõju kvarkide vahel, kuid tuumajõudude olemus prootonite ja neutronite vahel tuumas vajab veel selgitamist. Kuna gluuonid kui värvilised osakesed ei saa tuumaosakeste seest lahkuda, siis vahendavad prootonite ja neutronite vahelisi jõude hoopis virtuaalsed valged liitosakesed – π-mesonid π+, π– ja π0.
Nõrga vastastikmõju vahendajad
Nõrka vastastikmõju vahendavad kolm väga suure seisumassiga osakest W+, W– ja Z0, vastavalt elektrilaenguga +1, –1 ja 0. Nad on ligi sada korda raskemad kui prooton. Kui selline suure massiga osake kannab reaktsioonis virtuaalsena üle oma seisuenergiast palju väiksemat energiat, siis on sel hetkel energia ja aine jäävus tugevasti rikutud. Mida suurem on see (paratamatult ajutine) rikkumine, seda lühema aja jooksul lubab loodus seda sündida. Seepärast suudab vaheosake liikuda vaid väga lühikesi vahemaid ja vahendatava jõu ulatus jääb ka väga lühikeseks. Jõud ise jääb nõrgaks, sest suure rikkumisega vahendusreaktsioone tekib harva.
Nõrka vastastikmõju põhjustavad väga massiivsed vaheosakesed.
Higgsi osake
Nõrga vastastikmõju protsesssid jäid teoreetikutele mõneks ajaks veidi mõistatuslikeks, sest nende täpsem arvutamine sarnaselt elekromagnetiliste protsessidega ei õnnestunud lisanduvate lõpmatute integraalide tõttu. Raskustele leiti lõpuks leevendust matemaatilisest trikist, kus toodi sisse ebareaalne ehk kompleksarvuline mass, mis pärast arvutustes reaalarvuliseks pöördus. See nn Higgsi mehhanism (pakutud Briti füüsiku Peter Higgsi poolt 1964. aastal) jäi paraku esialgu puhtteoreetiliseks, sest see mehhanism ennustas mingi täiendava osakese – Higgsi osakese H (elektriliselt neutraalne, spinni 0 tõttu nimetatakse ka Higgsi bosoniks) olemasolu, mida väga intensiivselt otsima hakati. See osake – massiga u 125 prootoni massi – avastati 2012. aastal CERNi suure kiirendiga. Avastusel on suur tähtsus, sest ta seob ühtlasi elektromagnetilise ja nõrga vastastikmõju kokku ühtseks nähtuseks.
Kaldutakse arvama, et ka gravitatsioon on samalaadse toimemehhanismiga. Sel juhul peaks eksisteerima ka vastav vaheosake – massitu graviton. Kahjuks on meil väga vähe lootust seda katseliselt avastada.
