Kvantum-kromodinamika (QCD), a fizikában az erős erő működését leíró elmélet. A QCD-t a kvantum-elektrodinamika (QED), az elektromágneses erő kvantummező-elméletének analógiájával állítottuk elő. A QED-ben a töltött részecskék elektromágneses kölcsönhatásait ismertetik a tömeg nélküli fotonok kibocsátásával és az azt követő abszorpcióval, amelyeket a fény „részecskéinek” neveznek; ez a kölcsönhatás nem lehetséges a nem feltöltött, elektromosan semleges részecskék között. A fotont a QED-ben írják le, mint egy „erőhordozó” részecskét, amely közvetíti vagy továbbítja az elektromágneses erőt. A QED-hez hasonlóan, a kvantum-kromodinamika előre jelzi a gluonoknak nevezett erőhordozó részecskék létezését, amelyek továbbítják az erős erőt az anyag részecskék között, amelyek „színt” hordoznak, egyfajta erős „töltéssel”. Az erős erő ennélfogva korlátozódik a kvarkoknak nevezett elemi szubatomi részecskék és a kvarkokból épített kompozit részecskék viselkedésére - például az ismert atomok és neutronok, amelyek atommagokat alkotnak, valamint az egzotikusabb instabil részecskékre, úgynevezett mezonokra.
szubatomi részecske: Kvantum-króm-dinamika: Az erős erő leírása
Már 1920-ban, amikor Ernest Rutherford megnevezte a protont és elfogadta alapvető részecskének, egyértelmű volt, hogy az elektromágneses
1973-ban Harald Fritzsch és Heinrich Leutwyler, az amerikai fizikus, Murray Gell-Mann közreműködésével a szín, mint az „erős mező” forrása alakult a QCD elméletébe a QCD elméletében. Különösen az 1950-es években Chen Ning Yang és Robert Mills által kifejlesztett általános terepi elméletet alkalmazták, amelyben az erő hordozó részecskéi önmagukban további hordozó részecskéket sugározhatnak. (Ez különbözik a QED-től, ahol az elektromágneses erőt hordozó fotonok nem sugároznak további fotonokat.)
A QED-ben csak egy típusú elektromos töltés van, amely lehet pozitív vagy negatív - valójában ez megfelel a töltésnek és a töltésgátlónak. Ezzel ellentétben a kvarkok viselkedésének magyarázata érdekében a QCD-ben három különféle színű töltésre van szükség, amelyek mindegyike színként vagy színtelenként fordulhat elő. A három töltéstípust vörösnek, zöldnek és kéknek nevezik a fény elsődleges színeivel analóg módon, bár a szokásos értelemben vett színtől nincs semmilyen kapcsolat.
A szín-semleges részecskék kétféle módon fordulnak elő. A baryonokban - három kvarkból épített szubatomi részecskék, például protonok és neutronok formájában - a három kvark mindegyike különböző színű, és a három szín keveréke semleges részecskéket eredményez. A mezonokat viszont kvarkok és antikvarok párjaiból, antianyag-ellenanyagukból építik fel, és ezekben az antikvari antikarva semlegesíti a kvark színét, ugyanakkor a pozitív és negatív elektromos töltések megszakítják egymást, hogy elektromosan semleges legyen. tárgy.
A kvarkok az erő hatására kölcsönhatásba lépnek, amikor gluonoknak nevezett részecskéket cserélnek. A QED-vel ellentétben, ahol a kicserélt fotonok elektromos szempontból semlegesek, a QCD gluonjai szintén színes töltéseket hordoznak. A kvarkok három színének minden lehetséges kölcsönhatásának lehetővé tétele érdekében nyolc gluonnak kell lennie, amelyek mindegyike általában szín- és eltérő színű keveréket hordoz.
Mivel a gluonok színt hordoznak, kölcsönhatásba léphetnek egymással, és ez az erős erő viselkedését finoman különbözi az elektromágneses erőtől. A QED egy olyan erőt ír le, amely kiterjedhet a tér végtelen kiterjedésén, bár az erő gyengébbé válik, amikor a két töltés közötti távolság növekszik (egy fordított négyzetes törvény betartása mellett). A QCD-ben azonban a színes töltések által kibocsátott gluonok közötti kölcsönhatások megakadályozzák ezeket a töltéseket elválasztani. Ehelyett, ha elegendő energiát fordítunk egy kvarc protonból való kimetszésének kísérletére, az eredmény egy kvark-antikár pár - más szóval egy mezon - létrehozását eredményezi. A QCD ez a aspektusa megtestesíti az erős erő megfigyelt rövid hatótávolságát, amely körülbelül 10-15 méter távolságra korlátozódik, rövidebb, mint egy atommag átmérője. Ez megmagyarázza a kvarkok látszólagos elzáródását is, azaz csak a baryonok (például protonok és neutronok) és a mezonok kötött összetett állapotaiban figyelhetők meg.
