Kvanttikromodynaaminen fysiikka

Kvanttikromodynamiikka (QCD), fysiikassa vahvan voiman vaikutusta kuvaava teoria. QCD rakennettiin analogisesti kvantielektrodynamiikan (QED) kanssa, joka on sähkömagneettisen voiman kvanttikenttäteoria. QED: ssä ladattujen hiukkasten sähkömagneettiset vuorovaikutukset kuvataan massattomien fotonien, jotka tunnetaan parhaiten valon "hiukkasina", säteilyn ja myöhemmän absorboinnin kautta; sellaiset vuorovaikutukset eivät ole mahdollisia lataamattomien, sähköisesti neutraalien hiukkasten välillä. Fotoni kuvataan QED: ssä ”voiman kantaja-hiukkasena”, joka välittää tai siirtää sähkömagneettista voimaa. Analogisesti QED: n kanssa kvantikromodynamiikka ennustaa voiman kantajahiukkasten, nimeltään gluonit, olemassaolon, jotka välittävät voimakkaan voiman ainehiukkasten välillä, joilla on “väri”, muodossa voimakas “varaus”. Siksi voimakkaan voiman vaikutukset rajoittuvat kvarkeiksi kutsuttujen ala-alaatomisten hiukkasten ja kvarkeista rakennettujen komposiittihiukkasten, kuten tuttujen protonien ja neutronien, jotka muodostavat atomiytimien, sekä eksoottisempien epästabiilien hiukkasten, joita kutsutaan mesoneiksi, käyttäytymiseen.

subatominen hiukkanen: Kvanttikromodynamiikka: Vahvan voiman kuvaaminen

Jo vuonna 1920, kun Ernest Rutherford nimitti protonin ja hyväksyi sen perushiukkaseksi, oli selvää, että sähkömagneettinen

Vuonna 1973 eurooppalaiset fyysikot Harald Fritzsch ja Heinrich Leutwyler yhdessä amerikkalaisen fyysikon Murray Gell-Mannin kanssa kehittivät värin käsitteen "vahvan kentän lähteenä" QCD-teoriaan. Erityisesti he käyttivät Chen Ning Yangin ja Robert Millsin 1950-luvulla kehittämää yleistä kenttäteoriaa, jossa voiman kantajahiukkaset voivat itse säteillä lisää kantajahiukkasia. (Tämä eroaa QED: stä, jossa sähkömagneettista voimaa kantavat fotonit eivät säteile muita fotoneja.)

QED: ssä on vain yksi tyyppi sähkövarauksia, jotka voivat olla positiivisia tai negatiivisia - käytännössä tämä vastaa varausta ja varauksenestoa. Kvarkkien käyttäytymisen selittämiseksi QCD: ssä sen sijaan on oltava kolme erityyppistä värivarausta, joista kukin voi esiintyä väri- tai värivirheenä. Kolme lataustyyppiä kutsutaan punaiseksi, vihreäksi ja siniseksi valon päävärien kanssa analogisesti, vaikka värillä normaalissa merkityksessä ei ole mitään yhteyttä.

Värineutraalit hiukkaset esiintyvät kahdella tavalla. Baryoneissa - kolmesta kvarkista rakennettujen subatomisten hiukkasten, kuten esimerkiksi protonien ja neutronien - kanssa, kolme kvarkkia ovat kumpikin erivärisiä ja kolmen värin sekoitus tuottaa hiukkasen, joka on neutraali. Mesonit toisaalta on rakennettu kvarkien ja antiikkärien parista, niiden antimateriaalin vastineista, ja näissä antiikin väri neutraloi kvarkin väriä, samoin kuin positiiviset ja negatiiviset sähkövaraukset poistavat toisiaan tuottamaan sähköisesti neutraalin esine.

Kvarkit ovat vuorovaikutuksessa voimakkaan voiman kanssa vaihtamalla hiukkasia, joita kutsutaan gluoneiksi. Toisin kuin QED, jossa vaihdetut fotonit ovat sähköisesti neutraaleja, QCD: n gluoneissa on myös värivarauksia. Kaikkien mahdollisten vuorovaikutusten sallimiseksi kvarkkien kolmen värin välillä on oltava kahdeksan gluonia, joista jokaisessa on yleensä sekoitus väriä ja erilaista väriä.

Koska gluonit kantavat väriä, ne voivat olla vuorovaikutuksessa keskenään, ja tämä tekee voimakkaan voiman käytöstä hienovaraisesti erilaisen kuin sähkömagneettinen voima. QED kuvaa voimaa, joka voi ulottua avaruuden ääretöntä ulottuvuutta pitkin, vaikka voima heikkenee, kun kahden varauksen välinen etäisyys kasvaa (käänteisen neliölain noudattaminen). QCD: ssä värivarauksien lähettämät gluonien vuorovaikutukset kuitenkin estävät näiden varausten irtoamisen. Sen sijaan, jos esimerkiksi riittävästi energiaa investoidaan kvarkin purkamiseen protonista, seurauksena on kvarkin ja antiikin keskittymisparin, toisin sanoen mesonin, luominen. Tämä QCD: n näkökulma ilmentää voimakkaan voiman havaittua lyhyen kantaman luonnetta, joka on rajoitettu noin ^10-15 metrin etäisyyteen ja on lyhyempi kuin atomin ytimen halkaisija. Se selittää myös kvarkkien näennäisen rajoittumisen - toisin sanoen niitä on havaittu vain sitoutuneissa yhdistelmätiloissa baryoneissa (kuten protonit ja neutronit) ja mesoneissa.