Квантова хромодинаміка — розділ теоретичної фізики, який описує сильну взаємодію між кварками через глюонні поля. Вона є складовою частиною Стандартної моделі. Грецький корінь хромо, що означає колір, пов'язаний з тим фактом, що одним з основних понять квантової хромодинаміки є квантове число, що називається колірним зарядом.
Квантова хромодинаміка є подібною до квантової електродинаміки, що описує взаємодію заряджених частинок через фотони, носії електромагнітної взаємодії, проте між ними є важливі принципові відмінності. По-перше, електричний заряд може набувати лише двох значень (позитивного і негативного), а кварк може мати три значення кольору, що умовно позначаються як червоний, жовтий і синій. При цьому антикваркам властиві, відповідно, античервоний, антижовтий і антисиній кольори. По-друге, глюони, носії сильної взаємодії, також мають колірний заряд, тоді як фотони електрично нейтральні. По-третє, симетрія КХД відрізняється від симетрії КЕД, через що два ряди однакових поворотів у колірному просторі можуть дати різні кінцеві результати, якщо вони були проведені в різній послідовності.Квантовая хромодинамика Все це робить рівняння квантової хромодинаміки дуже нелінійними і значно складнішими, ніж квантової електродинаміки.
З математичної точки зору квантова хромодинаміка — калібрувальна теорія, побудована на групі симетрії SU(3). Група SU(3) — це група матриць 3x3 з визначником, рівним одиниці. В матриці 3x3 дев'ять елементів, вимога рівності одиниці визначника зводить число незалежних елементів до восьми. Тому всі об'єкти квантової хромодинаміки групуються у вісімки.
Характерними рисами квантової хромодинаміки є асимптотична свобода і конфайнмент. Поняття асимптотичної свободи означає те, що за високих енергій, що відповідає малим відстаням, кварки майже не взаємодіють. Конфайнмент, тобто обмеження, означає зростання притягання між кварками зі збільшенням віддалі між ними. Завдяки конфайнменту окремі, вільні кварки не спостерігаються. Два зв'язані кварки (кварк і антикварк) утворюють мезони, три — баріони.
Історія
Ранній період У 1911 році Резерфорд відкрив, що весь позитивний заряд атома зосереджений у невеликій області в його центрі, що отримала назву атомне ядро, а електрони знаходяться на відносно великій відстані від нього. Через 6 років, у 1917, він же виявив, що альфа-частинки можуть вибивати ядра водню з ядер більш важких елементів. У 1920 році частинки, що є ядрами водню, отримали назву «протони».Who discovered the proton? And how was it discoverd?
У 1932 році Джеймс Чедвік відкрив нейтрон, і у тому ж році Іваненко і Гейзенберг запропонували протон-нейтронну модель будови атомного ядра. Тоді ж з'ясувалась одна з проблем цієї моделі — близько розташовані протони зазнають дії значних кулонівських сил відштовхування, а отже, має існувати невідома раніше сила, що утримує їх разом.Квантовая хромодинамика и феноменология сильных взаимодействий
У 1934 році Енріко Фермі розробив першу теорію слабкої взаємодії для пояснення явища бета-розпаду і припустив, що ці ж сили відповідальні за утримання протонів і нейтронів в ядрі, проте ця гіпотеза виявилася хибною.
У 1935 році Юкава використав ідею Фермі про взаємодію через обмін масивною частинкою і розробив теорію сильної взаємодії, що існує між нуклонами. Його теорія передбачала існування нової частинки, піона, який був відкритий у 1947 році.
Кваркова теорія
Після винаходу бульбашкової камери у 1952 році фізики отримали потужний інструмент дослідження короткоживучих частинок, завдяки чому у 1950-х і 1960-х роках було відкрито велике розмаїття адронів (їх кількість перевищила сотнюКварки — частицы, из которых состоят адроны ), через що виникла потреба їх класифікації. Така класифікація була розроблена на початку 1960-х і містила всі адрони як представлення групи SU(3) — усі баріони й мезони об'єднували в октети, кожен з яких об'єднував вісім частинок (так званий Восьмистий шлях). Частинки, розташовані в однакових позиціях у різних октетах, мали схожі властивості, подібно до того, як схожі властивості демонструють елементи в різних періодах періодичної таблиціКварки и восьмеричный путь . Ця теорія ґрунтувалась на теорії неабелевих калібрувальних симетрій, що була розглянута Ч. Янгом і Р. Міллсом у 1954 роціАсимптотическая свобода — триумф квантовой теории поля . У 1964 році Гелл-Манн і Цвейг запропонували модель кварків, частинок, що відповідали фундаментальним представленням цієї групи, тобто вільним параметрам, які були в ній наявні. Проте жодна з цих частинок не спостерігалась в експериментах, що ставило гіпотезу під сумнів. Крім того, кварки мали незвичні властивості, наприклад заряд, некратний заряду електрона. Проте теорія виглядала правдоподібною, і почалися активні дослідження кваркової моделі.
Усі відомі тоді частинки можна було побудувати з кварків трьох видів, u-кварка, d-кварка і s-кварка. Під час дослідження кваркової будови адронів було виявлено ще одну проблему: резонанс Δ++ мав складатися з трьох u-кварків, спіни яких спрямовані однаково. Проте кварки є ферміонами, а отже, підпорядковуються принципу Паулі, який забороняє двом частинкам займати однаковий квантовий стан. 1965 року для вирішення цієї проблеми М. Боголюбов, Б. Струмінський і А. Тавхелидзе та одночасно і Й. Намбу висунули гіпотезу про існування особливого квантового числа, що властиве лише кваркам. Це число отримало назву колірний заряд. Воно може набувати трьох різних значень, які умовно називають червоним, жовтим і синім. При цьому постулювалося, що всі спостережувані частинки мають бути «білими», тобто складатися з трьох частинок різних кольорів (а точніше, з суперпозиції кваркових станів з трьома різними кольорами). Колірний заряд у цій теорії був причиною сильної взаємодії кварків.
У 1969 році для пояснення особливостей глибоко непружних зіткнень протонів Річард Фейнман запропонував модель партонів, яка передбачала існування в протоні точкових частинок, які під час високоенергетичних зіткнень взаємодіяли окремо, тоді як за низькоенергетичних адрон взаємодіяв як одне цілеПартоны . Одразу після цього було висунуто логічне припущення, що партони й кварки — це одні й ті ж частинки. Експерименти показали, що партони в межах адрона поводяться так, ніби між ними немає взаємодії. Ці два явища — дуже слабка взаємодія кварків всередині адрона і неможливість відокремити один кварк від інших — отримали назви асимптотична свобода і конфайнмент відповідно.
У 1973 році Девід Гросс, Френк Вільчек і Девід Політцер побудували теорію, що пояснювала явище асимптотичної свободи та описувала взаємодію кварків як обмін глюонами. Ця теорія вважається початком власне квантової хромодинаміки. Гросс, Вільчек і Політцер отримали Нобелівську премію з фізики за цю працю у 2008 році Открытие асимптотической свободы в теории сильных взаимодействий .
Відкриття важких кварків У 1970 році Шелдон Глешоу, Джон Іліопулос і Лучано Майані у своїй роботі, присвяченій механізму слабкої взаємодії, передбачили існування четвертого кварка (при цьому кварки об'єднувалися в пари, що отримали назви «покоління»)Weak Interactions with Lepton-Hadron Symmetry , а у 1973 році Макото Кобаясі і Тосіхіде Масукава розробили теорію, що пояснювала порушення CP-інваріантності у слабкій взаємодії, яка передбачала існування третього покоління кварків. Невдовзі передбачення почали підтверджуватися: у 1974 році було знайдено нову частинку, відому зараз під назвою J/ψ-мезон. Її час життя був несподівано великим як для частинок такої маси. Подальші дослідження показали, що її кварковий склад не вписується у відомі моделі, а потребує введення нового кварку, що отримав назву c-кварк (від — чарівний). Схожим чином у 1977 році після відкриття іпсилон-мезона було відкрито п'ятий b-кварк (від — красивий). Шостий, на сьогодні останній, t-кварк, було відкрито у 1995 році.
Сучасні експериментальні дослідження
У 1970-х роках було побудовано кілька великих електрон-позитронних коллайдерів, що були призначені для вивчення кваркової структури адронів. Першим з них став SPEAR у 1972 році. Пізніше були введені в експлуатацію також установки DORIS, PETRA і PEP. На колайдері SPEAR було вперше отримане безпосереднє підтвердження існування кварків як окремих частинок — адронних струменівETS AND QCD: A Historical Review of the Discovery of the Quark and Gluon Jets and its Impact on QCD . У 1979 році на установці PETRA були зафіксовані потрійні адронні струмені, що стали першим експериментальним доведенням існування глюонів, частинок, що є носіями сильної взаємодіїDiscovery of Three-Jet Events and a Test of Quantum Chromodynamics at PETRA .
У 2000 році колаборацією CERN було оголошено про відкриття нового стану матерії, кварк-глюонної плазми, що утворюється за високих температур. Поведінка кварк-глюонної плазми є дуже некласичною і описується лише в рамках КХД.Evidence for a New State of Matter: An Assessment of the Results from the CERN Lead Beam Programme
Основи Квантова хромодинаміка описує взаємодію частинок, що мають колірний заряд, тобто кварків, антикварків і глюонів. Кожній частинці можна приписати деякий вектор qi у просторі кольорів. Вектори всіх частинок мають однакову довжину. Кварки мають колір, а точніше, є суперпозицією станів з трьома кольорами (відповідно, антикварки мають антиколір). Таким чином, стан кварка можна описати трикомпонентним спінором. Перехід від одного стану до іншого описується як множення на матрицю 3×3, якому відповідає поворот у просторі кольорів. Існує 8 лінійно-незалежних ермітових матриць 3×3 з визначником 1 (їх називають матриці Гелл-Манна), яким відповідає 8 глюонів. Таким чином, кожен глюон несе у собі колір і антиколір (або ж є суперпозицією кількох пар кольорів-антикольорів). Таким чином, наприклад, червоний кварк може випустити червоно-антизелений глюон — і сам стати зеленим. Цей глюон, у свою чергу, може поглинутися зеленим кварком, який перетвориться на червоний.
Оскільки глюони мають колірний заряд, вони можуть випускати інші глюони, або розсіюватись на глюонах, тому на фейнманівських діаграмах, що описують міжкваркову взаємодію, можуть існувати триглюонні або чотириглюонні вершиниA QCD PRIMER .
Симетрія SU(3), що описує цю теорію, є точною, тобто два кварки, які відрізняються лише кольором, є тотожними для будь-яких інших видів взаємодії, окрім сильноїглюоны . Саме вимога про однозначну симетрію повністю задає структуру взаємодії кварків і глюонів. Також із неї випливає, що глюони не беруть участі в електромагнітній або слабкій взаємодії.
КХД має наближену ароматну симетрію через те, що сильна взаємодія є однаковою для різних ароматів кварків. Проте ця симетрія порушується через неоднакові маси кварків різних ароматів.
Асимптотична свобода Важливою особливістю міжкваркових сил є ослаблення їх за зменшення відстані між кварками. Це пов'язано з впливом поляризації фізичного вакууму на кварк. Подібно до того, як будь-яка заряджена частинка оточена парами віртуальних електрон-позитронних пар, що під дією її електричного поля поляризуються, через що вакуум починає екранувати електричний заряд, будь-який кварк оточений віртуальними кварк-антикварковими парами, а також хмарою віртуальних глюонів. Такий кварк називається вдягненим (кварк без віртуальних частинок навколо нього називається голим і не існує в природі). Кварк-антикваркові пари екранують колірний заряд подібно тому, як електрон-позитронні екранують електричний, проте значно більший ефект мають віртуальні глюони. Оскільки глюони самі мають колірний заряд, вони породжують нові глюони і кварк-антикваркові пари, а ті — нові й нові. «Шуба» з віртуальних глюонів і кварків призводить до протилежного ефекту — ефективний колірний заряд збільшується за віддалення від кварку, і навпаки, за наближення кварків сили, що діють між ними, прямують до нуля.