Κβαντική χρωμοδυναμική (QCD), στη φυσική, η θεωρία που περιγράφει τη δράση της ισχυρής δύναμης. Το QCD κατασκευάστηκε κατ 'αναλογία προς την κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED), την κβαντική θεωρία πεδίου της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Στο QED οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις των φορτισμένων σωματιδίων περιγράφονται μέσω της εκπομπής και της επακόλουθης απορρόφησης μαζών φωτονίων, γνωστότερα ως «σωματίδια» φωτός. Τέτοιες αλληλεπιδράσεις δεν είναι δυνατές μεταξύ μη φορτισμένων, ηλεκτρικά ουδέτερων σωματιδίων. Το φωτόνιο περιγράφεται στο QED ως το σωματίδιο «δύναμης-φορέα» που μεσολαβεί ή μεταδίδει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Αναλογικά με το QED, η κβαντική χρωμοδυναμική προβλέπει την ύπαρξη σωματιδίων φορέα δύναμης που ονομάζονται γλουόνια, τα οποία μεταδίδουν την ισχυρή δύναμη μεταξύ σωματιδίων ύλης που φέρουν «χρώμα», μια μορφή ισχυρού «φορτίου». Η ισχυρή δύναμη επομένως περιορίζεται στην επίδρασή της στη συμπεριφορά των στοιχειωδών υποατομικών σωματιδίων που ονομάζονται κουάρκ και των σύνθετων σωματιδίων που κατασκευάζονται από κουάρκ - όπως τα γνωστά πρωτόνια και τα νετρόνια που απαρτίζουν τους ατομικούς πυρήνες, καθώς και πιο εξωτικά ασταθή σωματίδια που ονομάζονται μεσόνια.
υποατομικό σωματίδιο: Κβαντική χρωμοδυναμική: Περιγράφοντας την ισχυρή δύναμη
Ήδη από το 1920, όταν ο Έρνεστ Ράδερφορντ ονόμασε το πρωτόνιο και το αποδέχθηκε ως θεμελιώδες σωματίδιο, ήταν σαφές ότι η ηλεκτρομαγνητική
Το 1973 η έννοια του χρώματος ως πηγή ενός «ισχυρού πεδίου» αναπτύχθηκε στη θεωρία του QCD από τους ευρωπαίους φυσικούς Harald Fritzsch και Heinrich Leutwyler, μαζί με τον Αμερικανό φυσικό Murray Gell-Mann. Συγκεκριμένα, χρησιμοποίησαν τη γενική θεωρία πεδίου που αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1950 από τους Chen Ning Yang και Robert Mills, στην οποία τα σωματίδια φορέα μιας δύναμης μπορούν τα ίδια να εκπέμπουν περαιτέρω σωματίδια φορέα. (Αυτό είναι διαφορετικό από το QED, όπου τα φωτόνια που φέρουν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη δεν εκπέμπουν περαιτέρω φωτόνια.)
Στο QED υπάρχει μόνο ένας τύπος ηλεκτρικού φορτίου, ο οποίος μπορεί να είναι θετικός ή αρνητικός - στην πραγματικότητα, αυτό αντιστοιχεί στη φόρτιση και τον αντίθετο. Αντίθετα, για να εξηγήσουμε τη συμπεριφορά των κουάρκ στο QCD, πρέπει να υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τύποι φορτίου χρώματος, καθένας από τους οποίους μπορεί να εμφανιστεί ως χρώμα ή αντίχρωμος. Οι τρεις τύποι φόρτισης ονομάζονται κόκκινο, πράσινο και μπλε αναλογικά με τα κύρια χρώματα του φωτός, αν και δεν υπάρχει καμία απολύτως σχέση με το χρώμα με τη συνήθη έννοια.
Τα ουδέτερα από το χρώμα σωματίδια εμφανίζονται με έναν από τους δύο τρόπους. Στα βαρυόνια - υποατομικά σωματίδια κατασκευασμένα από τρία κουάρκ, όπως, για παράδειγμα, πρωτόνια και νετρόνια - τα τρία κουάρκ έχουν καθένα διαφορετικό χρώμα και ένα μείγμα από τα τρία χρώματα παράγει ένα σωματίδιο που είναι ουδέτερο. Τα μεσόνια, από την άλλη πλευρά, είναι κατασκευασμένα από ζεύγη κουάρκ και αντικαράρ, τα αντιύλη τους, και σε αυτά το anticolour του antiquark εξουδετερώνει το χρώμα του κουάρκ, καθώς θετικά και αρνητικά ηλεκτρικά φορτία ακυρώνουν το ένα το άλλο για να παράγουν ηλεκτρικά ουδέτερο αντικείμενο.
Τα κουάρκ αλληλεπιδρούν μέσω της ισχυρής δύναμης με την ανταλλαγή σωματιδίων που ονομάζονται γλουόνια. Σε αντίθεση με το QED, όπου τα φωτόνια που ανταλλάσσονται είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, τα γκλουόνια του QCD φέρουν επίσης φορτίο χρώματος. Για να επιτραπούν όλες οι πιθανές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των τριών χρωμάτων των κουάρκ, πρέπει να υπάρχουν οκτώ γλουόνια, καθένα από τα οποία φέρει γενικά ένα μείγμα χρώματος και μια αντιχρωμία διαφορετικού είδους.
Επειδή τα γλουόνια φέρουν χρώμα, μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, και αυτό καθιστά τη συμπεριφορά της ισχυρής δύναμης διαφορετική από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Το QED περιγράφει μια δύναμη που μπορεί να εκτείνεται σε άπειρες εκτάσεις χώρου, αν και η δύναμη γίνεται ασθενέστερη καθώς αυξάνεται η απόσταση μεταξύ δύο φορτίων (σύμφωνα με έναν αντίστροφο τετραγωνικό νόμο). Ωστόσο, στο QCD, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των γλουόνων που εκπέμπονται από τα φορτία χρώματος εμποδίζουν τη διάσπαση αυτών των φορτίων. Αντ 'αυτού, εάν επενδυθεί επαρκής ενέργεια στην προσπάθεια να εξουδετερωθεί ένα κουάρκ από ένα πρωτόνιο, για παράδειγμα, το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ενός ζεύγους κουάρκ-αντικαράρ - με άλλα λόγια, ενός μεσόνου. Αυτή η άποψη του QCD ενσωματώνει την παρατηρούμενη φύση μικρής εμβέλειας της ισχυρής δύναμης, η οποία περιορίζεται σε απόσταση περίπου 10-15 μέτρου, μικρότερη από τη διάμετρο ενός ατομικού πυρήνα. Εξηγεί επίσης τον φαινομενικό περιορισμό των κουάρκ - δηλαδή, έχουν παρατηρηθεί μόνο σε συνδεδεμένες σύνθετες καταστάσεις σε βαρυόνια (όπως πρωτόνια και νετρόνια) και μεσόνια.
