Kvantu hromodinamikas fizika

Kvantu hromodinamika (QCD), fizikā teorija, kas apraksta spēcīgā spēka darbību. QCD tika konstruēts pēc analoģijas ar kvantu elektrodinamiku (QED), kas ir elektromagnētiskā spēka kvantu lauka teorija. QED lādētu daļiņu elektromagnētiskā mijiedarbība ir aprakstīta, izstarojot un sekojoši absorbējot bezspēcīgus fotonus, vislabāk pazīstamus kā gaismas “daļiņas”; šāda mijiedarbība nav iespējama starp neuzlādētām, elektriski neitrālām daļiņām. Fotons ir aprakstīts QED kā “spēka nesēja” daļiņa, kas pastarpina vai pārraida elektromagnētisko spēku. Pēc analoģijas ar QED kvantu hromodinamika paredz tādu spēka nesēju daļiņu eksistenci, kuras sauc par gluoniem, kas pārraida stipru spēku starp vielas daļiņām, kurām ir “krāsa”, kas ir spēcīga “lādiņa” forma. Tāpēc spēcīgais spēks savā iedarbībā ir ierobežots ar elementāru subatomisku daļiņu, ko sauc par kvarkiem, un no kvarkiem veidotu saliktu daļiņu, piemēram, pazīstamo protonu un neitronu, kas veido atomu kodolus, un vairāk eksotiski nestabilu daļiņu, ko sauc par mezoniem, izturēšanos.

subatomiskā daļiņa: Kvantu hromodinamika: raksturo spēcīgo spēku

Jau 1920. gadā, kad Ernests Rutherfords nosauca protonu un pieņēma to kā pamata daļiņu, bija skaidrs, ka elektromagnētiskais

1973. gadā Eiropas fiziķi Haralds Fritzschs un Heinrihs Leutvilers kopā ar amerikāņu fiziķi Murray Gell-Mann izstrādāja krāsu kā “spēcīga lauka” avotu QCD teorijā. Jo īpaši viņi izmantoja vispārējo lauka teoriju, ko 50. gados izstrādāja Čena Ning Janga un Roberts Milss, kurā spēka nesējdaļiņas pašas var izstarot papildu nesējdaļiņas. (Tas atšķiras no QED, kur fotoni, kas ietekmē elektromagnētisko spēku, neizstaro turpmākus fotonus.)

QED ir tikai viena veida elektriskā lādiņa, kas var būt pozitīva vai negatīva - faktiski tas atbilst lādiņam un pretlādēšanai. Turpretī, lai izskaidrotu kvarku izturēšanos QCD, ir nepieciešami trīs dažādi krāsu lādiņu veidi, no kuriem katrs var parādīties kā krāsa vai pretkrāsa. Trīs lādiņu veidus sauc par sarkanu, zaļu un zilu pēc analoģijas ar gaismas primārajām krāsām, kaut arī ar krāsu parastajā izpratnē nav nekāda sakara.

Krāsu neitrālas daļiņas rodas vienā no diviem veidiem. Baryonos - subatomiskās daļiņās, kas veidotas no trim kvarkiem, piemēram, protoniem un neitroniem - trīs kvarki ir atšķirīgas krāsas, un trīs krāsu sajaukums rada daļiņas, kas ir neitrālas. No otras puses, mezoni tiek būvēti no kvarku un antikvarku pāriem, to antimateriāla kolēģiem, un tajos antikvarika pretkrāsa neitralizē kvarka krāsu, tāpat kā pozitīvie un negatīvie elektriskie lādiņi atceļ viens otru, iegūstot elektriski neitrālu objekts.

Kvarki mijiedarbojas ar spēcīgu spēku, apmainoties ar daļiņām, kuras sauc par gluoniem. Atšķirībā no QED, kur apmainītie fotoni ir elektriski neitrāli, QCD gluoniem ir arī krāsu lādiņi. Lai nodrošinātu visu iespējamo mijiedarbību starp trim kvarku krāsām, jābūt astoņiem glikoniem, no kuriem katrs parasti satur krāsas un dažāda veida pretkrāsu sajaukumu.

Tā kā gluoni satur krāsu, tie var mijiedarboties savā starpā, un tas spēcīgā spēka izturēšanos smalki atšķir no elektromagnētiskā spēka. QED apraksta spēku, kas var izplesties pāri kosmosa bezgalīgajai robežai, kaut arī spēks kļūst vājāks, palielinoties attālumam starp diviem lādiņiem (ievērojot apgrieztu kvadrātveida likumu). Tomēr QCD krāsu lādiņu izstarotā gluonu mijiedarbība novērš šo lādiņu atraušanos. Tā vietā, ja, piemēram, mēģinot izsist kvarku no protona, tiek ieguldīts pietiekami daudz enerģijas, rezultāts ir kvarka un antīkās pāra - citiem vārdiem sakot, mezona - izveidošana. Šis QCD aspekts iemieso novēroto spēcīgā spēka maza darbības attālumu, kas ir ierobežots līdz apmēram ^10–15 metru attālumam un ir īsāks par atoma kodola diametru. Tas arī izskaidro šķietamo kvarku norobežošanos, tas ir, tie ir novēroti tikai saistītos saliktos stāvokļos baronos (piemēram, protonos un neitronos) un mezonos.