Chromodynamika kwantowa - Polski Serwis Naukowy

Chromodynamika kwantowa (ang. QCD – quantum chromodynamics) – teoria oddziaływań silnych czyli kwantowa teoria pola opisująca oddziaływanie silne, najsilniejsze z oddziaływań podstawowych.

W oddziaływaniach silnych uczestniczą cząstki obdarzone ładunkiem kolorowym, bądź zbudowane z takich cząstek. Ruchy i przemiany tych cząstek tłumaczy się wymianą bozonów zwanych gluonami. Fermiony obdarzone ładunkiem kolorowym zwane są kwarkami. Znamy sześć kwarków i sześć antykwarków.

Teorie wielkiej unifikacji (GUT z ang. Grand Unification Theory) – teorie łączące chromodynamikę kwantową i teorię oddziaływań elektrosłabych. Przedstawiają one oddziaływanie silne, słabe i elektromagnetyczne jako przejaw jednego, zunifikowanego oddziaływania. Żadna z dotychczasowych teorii wielkiej unifikacji nie została potwierdzona doświadczalnie.

Kwark – cząstka elementarna, fermion, posiadający ładunek koloru (czyli podlegający oddziaływaniom silnym). Według obecnej wiedzy cząstki elementarne będące składnikami materii można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią kwarki, drugą grupą są leptony. Każda z tych grup zawiera po sześć cząstek oraz ich antycząstki. Istnieje więc sześć rodzajów kwarków oraz odpowiednio sześć rodzajów ich antycząstek – antykwarków.

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.

Hipoteza (gr. hypóthesis – przypuszczenie) – osąd, który podlega weryfikacji. Zdanie, które stwierdza spodziewaną relację między jakimiś zjawiskami, propozycja twierdzenia naukowego, które zakłada możliwą lub oczekiwaną w danym kontekście sytuacyjnym naturę związku.

Teoria oddziaływań elektrosłabych (Teoria Małej Unifikacji) - kwantowa teoria pola opisująca oddziaływania słabe oraz elektromagnetyczne. Zawiera ona w sobie wcześniejszą teorię oddziaływań słabych i elektrodynamikę kwantową.

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).

Cechowaniem w fizyce nazywamy wybór stałej (tzw. stałej cechowania) lub funkcji skalarnej (tzw. funkcji cechowania) przy określaniu potencjału dowolnego pola wektorowego . Z formalnego punktu widzenia, stała lub funkcja cechowania mogą być zupełnie dowolne, ponieważ wielkościami mierzalnymi są wielkości pola wektorowego będące wynikiem różniczkowania potencjału, a pochodna stałej zeruje się

Pole sił kolorowych tworzą gluony przenoszące kolor i antykolor pomiędzy kwarkami i antykwarkami. Energia pola sił kolorowych wzrasta wraz ze wzrostem odległości pomiędzy oddziałującymi kwarkami. Silne rozsunięcie kwarków powoduje naprężenie pola. Próba jego zerwania kończy się niepowodzeniem, ponieważ nadmierna ilość energii zostaje zamieniona na masę, na skutek czego powstają dwa nowe kwarki (dopełniające). Pole zamienia się wtedy na dwa pola o niższej energii (brakująca energia zamieniła się na masę).

Gluony są to cząstki bozonowe naładowane kolorowo. 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.

Oddziaływanie silne jest jednym z czterech oddziaływań uznanych za podstawowe. Spośród cząstek elementarnych silnie oddziałują tylko kwarki, antykwarki i gluony. Oddziaływanie to wiąże kwarki w obrębie hadronów (a więc i np. w obrębie protonu i neutronu).

W fizyce cząstek bozony (ang. boson od nazwiska fizyka Satyendra Bose), są cząstkami posiadającymi spin całkowity. Większość bozonów to cząstki złożone, jednakże 12 z nich (tak zwane bozony cechowania) są cząstkami elementarnymi, niezłożonymi z mniejszych cząstek (cząstki fundamentalne).

Ponieważ gluony są naładowane kolorowo, także między nimi dochodzi do oddziaływań z wymianą gluonów. Nazywa się to samooddziaływaniem.

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)xU(1) teorii oddziaływań elektrosłabych. Nazywa się to teoriami wielkiej unifikacji.

Zobacz też