thumb|Struktura neutronu składającego się z trzech kwarków: dwóch kwarków dolnych (d) i jednego kwarku górnego (u), tworzących układ (udd) związanych ze sobą oddziaływaniem silnym przenoszonym przez gluony. thumb|Przykład oddziaływania silnego w neutronie. Kwarki w neutronie mają różne ładunki koloru, których zmiana następuje poprzez wymianę gluonów. Chromodynamika kwantowa (ang. quantum chromodynamics – QCD) – teoria oddziaływań silnych, czyli kwantowa teoria pola opisująca oddziaływanie silne, najsilniejsze z oddziaływań podstawowych. Chromodynamika to nieabelowa (nieprzemienna) teoria z cechowaniem. Grupą cechowania jest grupa SU(3). Jest częścią Modelu Standardowego. Trwają próby połączenia grupy SU(3) z grupą SU(2) x U(1) teorii oddziaływań elektrosłabych. Nazywa się to teoriami wielkiej unifikacji.
W oddziaływaniach silnych uczestniczą cząstki obdarzone ładunkiem koloru bądź zbudowane z takich cząstek. Ruchy i przemiany tych cząstek tłumaczy się wymianą bozonów zwanych gluonami. Fermiony obdarzone ładunkiem koloru zwane są kwarkami. Znamy sześć kwarków i sześć antykwarków.
QCD posiada dwie osobne właściwości: Uwięzienie koloru, które oznacza, że siła pomiędzy kwarkami nie maleje, gdy są rozdzielone. Z tego powodu potrzeba nieskończenie wiele energii, żeby rozdzielić dwa kwarki. Pozostają one na zawsze złączone w hadronach, takich jak proton czy neutron. Chociaż jest analitycznie nieudowodnione, uważa się, że zjawisko uwięzienia jest prawdziwe, gdyż wyjaśnia porażkę poszukiwań wolnych kwarków i jest łatwe do zademonstrowania w kratowej chromodynamice kwantowej. Swoboda asymptotyczna, która oznacza, że w wysoko energetycznych reakcjach kwarki i gluony oddziałują bardzo słabo. Owo przewidywanie QCD zostało po raz pierwszy odkryte we wczesnych latach 70. przez Davida Politzera oraz Franka Wilczka i Davida Grossa. Za swoją pracę zostali oni nagrodzeni w 2004 roku nagrodą Nobla z fizyki.
Nie jest znana dokładna linia przejścia fazowego pomiędzy tymi dwoma własnościami. Uwięzienie dominuje w reakcjach nisko energetycznych, ale w miarę wzrostu energii, zaczyna dominować swoboda asymptotyczna.
Opis ogólny Istnieją trzy ładunki kolorowe: czerwony, zielony i niebieski oraz trzy ładunki, którymi obdarzone są antykwarki: antyczerwony, antyzielony i antyniebieski. Ponieważ nigdy nie zaobserwowano swobodnej cząstki naładowanej kolorowo, powstała hipoteza głosząca, że swobodne mogą być jedynie cząstki kolorowo neutralne (białe). Nazywa się ją hipotezą uwięzienia kwarków. Chromodynamika tłumaczy to w ten sposób, że siła przyciągania między kwarkami rośnie wraz ze zwiększaniem odległości. Dotyczy to wszystkich cząstek obdarzonych kolorem, np. gluonów.
Chociaż każdy kwark posiada kolor, to jednak wciąż zmienia go poprzez wymianę gluonów. Z tego powodu niemożliwe jest określenie koloru kwarku w danej chwili, a każdy stan kwarku (o określonym ładunku i masie) o dowolnym kolorze uważa się za tę samą cząstkę (dlatego mamy sześć, a nie osiemnaście kwarków).
Gluony są to bozony posiadające ładunek koloru. Każdy gluon przenosi dwa kolory: jeden kolor i jeden antykolor. Przykładowo istnieje gluon czerwono-antyniebieski i zielono-antyczerwony. Wynikałoby z tego, że istnieje dziewięć gluonów. Jednak pewne reguły mechaniki kwantowej nakładają na chromodynamikę ograniczenie, które powoduje, że istnieje tylko osiem gluonów. Tłumaczy się to w ten sposób, że trzy gluony neutralne (zielono-antyzielony, czerwono-antyczerwony, niebiesko-antyniebieski) są „wymieszane” i tworzą tylko dwie cząstki fizyczne.
Ponieważ gluony są obdarzone ładunkiem koloru, także między nimi dochodzi do oddziaływań z wymianą gluonów. Nazywa się to samooddziaływaniem.
Historia Teorię QCD zaproponowali Murray Gell-Mann z Haraldem Fritzschem i Heinrichem Leutwylerem w pracy pt. Advantages of the color octet gluon picture wydanej w 1973H. Fritzsch, M. Gell-Mann, H. Leutwyler, Advantages of the color octet gluon picture, „Physics Letters” B 47, (1973), s. 365–368 (received 1 October 1973)...
Wraz z wynalezieniem komory pęcherzykowej oraz komory iskrowej w latach 50. XX w. odkryto dużą i stale rosnącą ilość cząstek zwanych hadronami. Wydawało się, że wszystkie te cząstki nie mogą być fundamentalne. Najpierw zostały one sklasyfikowane według ładunku i izospinu przez Eugene Wignera i Wernera Heisenberga, a w 1953 według dziwności przez Murraya Gell-Manna i Kazuhiko Nishijimę. W celu lepszej orientacji, hadrony zostały posortowane w grupy o podobnej masie i właściwościach przy użyciu ścieżki ośmiokrotnej, wynalezionej w 1961 przez Gell-Manna i Yuval Ne’emana. Gell-Mann i George Zweig, skorygowawszy wcześniejsze podejście Shoichi Sakaty, zaproponowali w 1963 roku wyjaśnienie struktury grup przez istnienie trzech zapachów mniejszych cząstek wewnątrz hadronów: kwarków.
Prawdopodobnie pierwsza wzmianka, że kwarki powinny posiadać dodatkową liczbę kwantową, miała miejsce w postaci przypisu w przeddruku do Borisa StruminskiegoB. V. Struminsky, Magnetic moments of barions in the quark model. JINR-Preprint P-1939, Dubna, Russia. Submitted on January 7, 1965., w związku z Ω− hiperonem, złożonym z trzech kwarków dziwnych o równoległych spinach (sytuacja taka jest niezwykła, ponieważ kwarki są fermionami, więc taka kombinacja jest zabroniona przez zakaz Pauliego):
Boris Struminski był studentem Nikołaja Bogolubowa. Problem rozważany w tym przeddruku został zasugerowany przez Nikołaja Bogolubowa, który pomagał Struminskiemu w badaniach. Na początku 1965 roku Nikołaj Bogolubow, Boris Struminski i Albert Tawchelidze napisali przeddruk z bardziej dokładnym omówieniem dodatkowego kwantowego stopnia swobody kwarkówN. Bogolubov, B. Struminsky, A. Tavkhelidze. On composite models in the theory of elementary particles. JINR Preprint D-1968, Dubna 1965..
Podobna nietypowa sytuacja miała miejsce z cząstką Δ++, która w modelu kwarkowym składała się z trzech kwarków górnych z jednakowymi spinami. W 1965 roku Moo-Yang Han wraz z Yoichiro Nambu oraz Oscar W. Greenberg niezależnie rozwiązali problem przez posiadanie przez kwarki dodatkowego stopnia swobody cechowania SU(3), nazwanego później ładunkiem koloru. Han i Nambu odnotowali, że kwarki są uwięzione, lecz mogą oddziaływać poprzez wymianę oktetowego wektora bozonów cechowania: gluonów.
Ponieważ poszukiwania wolnych kwarków zawiodły, a definicja cząstki elementarnej mówi o cząstce, którą da się odizolować, Gell-Mann często powtarzał, że kwarki są zaledwie wygodną matematyczną konstrukcją, a nie realnymi cząstkami. Znaczenie tego oświadczenia było zazwyczaj jasne w kontekście: uważał, że kwarki są ukryte, ale również implikował, że oddziaływania silne przypuszczalnie nie będą się dały w pełni opisać kwantową teorią pola.
Richard Feynman przekonywał, że wysoko energetyczne eksperymenty pokazały, że kwarki są realnymi cząsteczkami: nazwał je partonami (). Pod pojęciem cząstki Feynman rozumiał obiekt, który podążał wzdłuż ścieżki, cząstkę elementarną w teorii pola.
Różnica w podejściu Feynmana i Gell-Manna odzwierciedlała głęboki podział społeczności fizyków teoretycznych. Feynman uważał, że kwarki posiadają rozkład położenia lub momentu, jak każda inna cząstka, i wierzył, że dyfuzja momentu partonów tłumaczy rozpraszanie dyfrakcyjne. Aczkolwiek Gell-Mann wierzył, że konkretne ładunki kwarków mogą być zlokalizowane, to był otwarty na możliwość, że kwarki same w sobie zlokalizowane nie są, gdyż czas i przestrzeń się załamują. Było to bardziej radykalne podejście do teorii macierzy S.
James Bjorken zaproponował, że punktowe partony implikowałyby konkretne relacje, zachowywane w głębokim nieelastycznym rozpraszaniu elektronów i protonów, co zostało spektakularnie potwierdzone w eksperymentach w SLAC w 1969 roku. Spowodowało to odejście od macierzy S dla oddziaływań silnych.
Odkrycie swobody asymptotycznej w oddziaływaniach silnych przez Davida Grossa, Davida Politzera i Franka Wilczka pozwoliło fizykom dokładnie przewidywać rezultaty wielu wysoko energetycznych eksperymentów, używając techniki kwantowej teorii pola teorii perturbacji. Dowody na istnienie gluonów zostały odkryte w zdarzeniach trójdżetowych w PETRA w 1979. Eksperymenty te stawały się coraz bardziej dokładne, aż do potwierdzenia perturbacyjnej chromodynamiki kwantowej w zderzaczu LEP w CERNnie.
Drugą stroną swobody asymptotycznej jest uwięzienie koloru. Ponieważ siła pomiędzy dwoma ładunkami nie maleje z dystansem, panuje przekonanie, że kwarki i gluony nigdy nie uwolnią się z hadronów. Ten aspekt teorii jest zweryfikowany przez obliczenia kratowej chromodynamiki kwantowej, jednak nie jest dowiedziony matematycznie. Jeden z problemów milenijnych ogłoszonych przez Instytut Matematyczny Claya zawiera wymóg stworzenia takiego dowodu. Inne aspekty nieperturbacyjnej QCD to zgłębianie materii kwarkowej, w tym plazmy kwarkowo-gluonowej.
Relacja pomiędzy krótkim zasięgiem cząsteczek a uwięzionym zasięgiem długodystansowym jest jednym z tematów zgłębianej ostatnio teorii strun, nowoczesnej wersji teorii macierzy S.
Teoria Definicje Każda teoria fizyki cząstek elementarnych oparta jest na pewnych symetriach natury, wziętych z obserwacji. Mogą być: Symetrie lokalne, działające niezależnie od położenia w czasie i przestrzeni. Każda taka symetria jest podstawą teorii cechowania i potrzebuje swojego własnego bozonu cechowania. Symetrie globalne, których operacje muszą działać jednocześnie na całą czasoprzestrzeń.
Chromodynamika kwantowa jest teorią cechowania z grupą cechowania SU(3) otrzymaną przez wzięcie ładunku koloru do zdefiniowania lokalnej symetrii.
Ponieważ oddziaływania silne nie dyskryminują żadnej cząstki ze względu na zapach, QCD posiada przybliżoną symetrię zapachu, która ulega złamaniu przez różne masy kwarków.
Istnieją dodatkowe globalne symetrie, których definicja wymaga wprowadzenia pojęcia chiralności, rozróżniające lewoskrętność od prawoskrętności. Jeżeli spin cząstki ma dodatni rzut na jej kierunek ruchu, wtedy jest nazywana lewoskrętną, w przeciwnym razie jest prawoskrętną. Chiralność i skrętność nie jest tym samym, ale są przybliżonymi zamiennikami przy dużych energiach. Symetrie chiralne oznaczają niezależne transformacje dla tych dwóch rodzajów cząstek. Symetrie wektorowe (zwane też diagonalnymi) oznaczają, że ta sama transformacja jest wykonywana na obydwu rodzajach cząstek. Symetrie osiowe to takie, w których dana transformacja jest wykonywana na lewoskrętnych cząstkach, a jej inwersja na prawoskrętnych.
Dodatkowa uwaga: dualność Jak wspomniano, swoboda asymptotyczna oznacza, że przy dużych energiach – co odpowiada krótkim dystansom – praktycznie nie ma oddziaływania pomiędzy cząstkami. Jest to w kontraście – albo precyzyjniej mówiąc, dualne – do tego, co się zwykle spotyka, a mianowicie braku oddziaływania przy dużych dystansach. Aczkolwiek, jak wspomniane jest w oryginalnej pracy Franza WegneraF. Wegner, Duality in Generalized Ising Models and Phase Transitions without Local Order Parameter, J. Math. Phys. 12 (1971) 2259-2272.: Reprinted in Claudio Rebbi (ed.), Lattice Gauge Theories and Monte Carlo Simulations, World Scientific, Singapore (1983), p. 60-73. Abstract: ., teoretyka, który w 1971 roku wprowadził prosty inwariantny model kratowy z cechowaniem, wysoko temperaturowe zachowanie oryginalnego modelu, np. silny rozpad korelacji na dużych odległościach, koresponduje z nisko temperaturowym zachowaniem modelu (zwykle używanego!) dualnego, mianowicie asymptotycznego rozpadu nietrywialnych korelacji, np. krótko zasięgowych odchyleń od niemal doskonałego porządku, na krótkich dystansach. Tutaj, w kontraście do Wegnera, mamy tylko model dualny, który jest tym opisanym w tym artykuleByć może niektórzy się domyślają, że w oryginalnym modelu karki ulegały fluktuacjom, podczas gdy w obecnym dualnym są to głównie gluony..
Grupy symetrii