Почему слабое ядерное взаимодействие имеет меньший радиус действия, чем сильное ядерное взаимодействие?

Здесь смешивают две разные вещи.

Сильное взаимодействие не действует между протонами и нейтронами, оно действует между кварками. Побочным эффектом его работы является постоянное создание новых частиц, мезонов. Этот процесс создания частиц является консервативным в том смысле, что если вы рассматриваете все создаваемые частицы, то их импульс, заряд, вращение и так далее в сумме дают ноль.

Все эти мезоны, взаимодействующие друг с другом, и кварки порождают второе взаимодействие, ядерное взаимодействие . Это ядерная сила, которая «воздействует на протоны и нейтроны, удерживая их связанными друг с другом внутри ядер», а не сильная сила. Конечно, одно является результатом другого, так что это наполовину полный вид вещей... и поэтому вы видите, что это называется сильным ядерным взаимодействием , или сильным взаимодействием , или другими названиями, просто чтобы запутать вещи.

Расстояние, на котором действует ядерная сила, является просто функцией массы мезонов и принципа неопределенности; все виртуальные частицы с массой имеют максимальное время жизни, и если вы просто посмотрите, как далеко эти мезоны могут пройти за это время, вуаля, вы получите расстояние.

ОБНОВЛЕНИЕ: я понял, что пропустил закрытие.

Слабое взаимодействие также передается массивными частицами W и Z. Таким образом, как и мезоны в ядерных силах, они подвержены тем же ограничениям диапазона из-за принципа неопределенности. Однако масса простого мезона, такого как пион, составляет около 100 МэВ, а Z — целых 90 ГэВ. Это тяжелее всего ядра железа! Сейчас может показаться странным, что такой тяжелый объект может быть создан ex nihlo внутри чего-то вроде ядра гелия, которое намного легче, но в этом вся идея принципа неопределенности, на очень короткое время это разрешено, и именно поэтому диапазон настолько мал, а реакция настолько редка по сравнению с ним.

Диапазон слабого взаимодействия напрямую связан с массой калибровочных бозонов, которую они приобретают из-за (электрослабого) спонтанного нарушения симметрии, что придает полю Хиггса ненулевое вакуумное среднее. В Википедии есть больше информации о теории электрослабого взаимодействия .

Один из способов понять связь между массой носителя силы и радиусом действия — рассмотреть классическую теорию поля, соответствующую массивным бозонам: уравнение поля для классического поля, соответствующего массивным частицам, имеет решения, которые экспоненциально затухают при удалении от источника на масштаб обратно пропорционален массе (такое соотношение было впервые предложено Юкавой, который изобрел теорию ядерных сил, основанную на тогдашних гипотетических массивных скалярных частицах, аналогично фотоны приобретают эффективную массу в сверхпроводниках, а электрическое поле экспоненциально затухает в сверхпроводниках).

Первоначальная теория бета-распада, предложенная Ферми , которая является предшественником современной теории слабого взаимодействия, сделала взаимодействие контактным взаимодействием между фермионами, поэтому сначала было смоделировано, что оно имеет нулевой радиус действия.

Обязательная оговорка: На ответ «почему» слабое взаимодействие имеет такой малый радиус действия нельзя ответить окончательно, поскольку мы можем ответить на этот вопрос только с помощью эталонных теоретических моделей и ничего не отвечает, почему природа такова, что они ее описывают.

Слабая сила имеет малый радиус действия из-за своей чрезвычайно большой массы. В отличие от сильного взаимодействия, которое имеет безмассовые глюоны, слабое взаимодействие имеет массивные бозоны W и Z. Это делает бозоны W и Z коротким радиусом действия и одним из самых слабых взаимодействий.