Kvantekromodynamik

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 13. september 2022; verifikation kræver 1 redigering .

Kvantekromodynamik ( QCD ) er en måleteori for kvantefelter , der beskriver den stærke vekselvirkning mellem elementarpartikler. Sammen med den elektrosvage teori udgør QCD det aktuelt accepterede teoretiske grundlag for elementær partikelfysik .

Historien om KHDl

Med opfindelsen af boblekammeret og gnistkammeret i 1950'erne opdagede eksperimentel partikelfysik et stort og voksende antal partikler kaldet hadroner . Det blev klart, at de ikke alle kunne være elementære . Partikler er blevet klassificeret efter deres elektriske ladning og isospin ; derefter (i 1953 ) [1] [2] [3] Murray Gell-Mann og Kazuhiko Nishijima for særhed . For en bedre forståelse af de generelle love blev hadroner grupperet efter andre lignende egenskaber: masser , levetid og andre. I 1963 foreslog Gell-Mann og uafhængigt George Zweig , at strukturen af disse grupper (faktisk SU(3) multipletter) kunne forklares ved eksistensen af mere elementære strukturelle elementer inde i hadroner. Disse partikler er blevet kaldt kvarker . Alle hadroner med et baryontal B = 0 (mesoner) består af et par "kvark og antikvark", og med et tal B = 1 (baryoner) består de af tre kvarker [4] . Hele sorten af hadroner kendt på det tidspunkt kunne bygges af kun tre kvarker: u , d og s [5] [6] . Efterfølgende blev yderligere tre massive kvarker opdaget. Hver af disse kvarker er bærere af et bestemt kvantetal , kaldet dets smag .

I en sådan beskrivelse viste en partikel, Δ ++ (1232), sig imidlertid at være udstyret med uforklarlige egenskaber; i kvarkmodellen er den sammensat af tre u -kvarker med spins orienteret i samme retning, og kredsløbsvinkelmomentet for deres relative bevægelse er nul. Alle tre kvarker skal da være i samme kvantetilstand , og da kvarken er en fermion , er en sådan kombination forbudt af Pauli-udelukkelsesprincippet . I 1965 løste N. N. Bogolyubov , B. V. Struminsky og A. N. Tavkhelidze [7] , og også Han Mo Young sammen med Yoichiro Nambu [8] og O. Grinberg ) [9] uafhængigt af hinanden dette problem ved at antage, at kvarken har yderligere frihedsgrader for SU(3) gauge -gruppen , senere kaldet "farveafgifter". Behovet for at tildele et ekstra nummer til kvarker blev påpeget af BV Struminsky i et fortryk dateret 7. januar 1965 [10] [11] . Resultaterne af N. N. Bogolyubovs, B. Struminskys og A. N. Tavkhelidzes arbejde blev præsenteret i maj 1965 på en international konference om teoretisk fysik i Trieste [12] . Yoichiro Nambu præsenterede sine resultater i efteråret 1965 på en konference i USA [13] . Khan og Nambu bemærkede, at kvarken interagerer gennem en oktet af vektormålebosoner , kaldet gluoner .

Da der ikke blev fundet frie kvarker, troede man, at kvarker kun var praktiske matematiske konstruktioner, ikke egentlige partikler. Eksperimenter med dyb uelastisk spredning af elektroner af protoner og bundne neutroner viste, at der i området med høje energier forekommer spredning på nogle elementer af den indre struktur, der er meget mindre end størrelsen af en nukleon : Richard Feynman kaldte disse grundstoffer " partons " ( da de er dele af hadroner ). Resultaterne blev endelig verificeret i eksperimenter på SLAC i 1969 . Yderligere forskning viste, at partoner skulle identificeres med kvarker såvel som med gluoner.

Selvom resultaterne fra undersøgelsen af den stærke kraft forbliver sparsomme , har opdagelsen af asymptotisk frihed af David Gross , David Polizer og Frank Wilczek gjort det muligt at lave mange nøjagtige forudsigelser i højenergifysik ved hjælp af perturbationsteoretiske metoder . Beviser for eksistensen af gluoner blev fundet i tre-jet begivenheder på PETRA i 1979 . Disse eksperimenter blev mere og mere præcise, og kulminerede med at teste forstyrrende QCD på et par procents niveau i LEP ved CERN .

Den anden side af asymptotisk frihed er indespærring . Da styrken af vekselvirkningen mellem farveladninger ikke aftager med afstanden, antages det, at kvarker og gluoner aldrig kan frigives fra en hadron. Dette aspekt af teorien er blevet bekræftet af gitter QCD- beregninger , men er ikke blevet matematisk bevist. At finde dette bevis er en af de syv " millennium-udfordringer " annonceret af Clay Mathematical Institute . Andre perspektiver for ikke-perturbativ QCD er studiet af faser af kvarkstof , herunder kvark-glune plasma .

QCD ordlyd

QCD i enkle vendinger

Kvantekromodynamik er baseret på postulatet om, at hver kvark har et nyt internt kvantetal, konventionelt kaldet farveladning eller blot farve . Udtrykket "farve" har intet at gøre med optiske farver og introduceres udelukkende til salgsfremmende formål. En farve-rum-invariant kombination er summen af tre forskellige farver. For eksempel giver summen af de tre primære optiske farver - rød, grøn og blå - hvid, det vil sige en farveløs tilstand. Derfor kaldes basisvektorerne i farverummet ofte ikke den første, anden, tredje, men "rød" (k), "grøn" (h) og "blå" (s). Antikvarker svarer til antifarver (ak, az, ac), og kombinationen "farve + antifarve" er farveløs. Gluoner i farverum har "farve-antifarve" kombinationer og kombinationer, der ikke er invariante under rotationer i farverum. Der er otte sådanne uafhængige kombinationer, og de ser sådan ud:

k-az, k-as, s-ak, s-as, s-ak, s-az, (k-ak - z-az) / , (k-ak + z-az - 2s-ac) /

{\sqrt {2}}

{\sqrt {6}}

For eksempel kan en "blå" kvark udsende en "blå-anti-grøn" gluon og blive til en "grøn" kvark.

QCD Lagrangian

Farve er den indre frihedsgrad for kvarker og gluoner. Quark-feltet er tildelt en specifik tilstandsvektor af enhedslængde i det komplekse tredimensionelle farverum C(3). Rotationer i C(3)-farverummet, det vil sige længdebevarende lineære transformationer, danner SU(3)-gruppen, hvis dimension er 2·3²−3²−1=8. $q^{i}$

Da gruppen SU(3) er forbundet , kan alle dens elementer opnås ved at eksponentisere algebraen ASU(3). Derfor kan enhver rotation i C(3)

{\displaystyle q^{i}=U_{j}^{i}q^{j))

kan repræsenteres som , hvor 3×3-matricer (a = 1 … 8) kaldes Gell-Mann-matricer og danner ASU(3)-algebraen. Da Gell-Mann-matricerne ikke pendler med hinanden, er gauge-teorien bygget på SU(3)-gruppen ikke- abelsk (det vil sige, det er en Yang-Mills-teori ). $U=\exp(ic_{a}t^{a})$ $t^{a}$ $[t^{a},t^{b}]=i\,f_{c}^{{ab}}t^{c}$

Yderligere anvendes standardprincippet om måleinvarians . Overvej Lagrangian af det frie kvarkfelt

L={\bar {q))(i\gamma ^{\mu}\partial _{\mu}-m)q

Denne Lagrangian er invariant under de globale måletransformationer af kvark- og antikvarkfelter:

q\to \exp(ic_{a}t^{a})q,\quad {\bar {q))\to \exp(-ic_{a}t^{a}){\bar { q}},

hvor ikke afhænger af koordinater i almindeligt rum. $c_{a}$

Hvis vi kræver invarians med hensyn til lokale gauge-transformationer (det vil sige for ), så er vi nødt til at indføre et hjælpefelt . Som et resultat har QCD Lagrangian, som er invariant under lokale gauge-transformationer, formen (summation over kvarksmag antages også) $c_{a}(x_{\mu })$ $A_{\mu }^{a}$

L={\bar {q))(i\gamma ^{\mu}\partial _{\mu}+g\gamma ^{\mu }A_{\mu}-m)q-{1 \ over 2}\mathrm {Tr\,} G^{\mu \nu }G_{\mu \nu },

hvor er gluonfeltstyrken tensor , og er selve gluonfeltet . $G_{{\mu \nu }}=\delvis _{\mu }A_{\nu}-\delvis _{\nu }A_{\mu }-ig[A_{\mu },A_{\nu }]$ $A_{\mu }\equiv \sum _{{a=1}}^{{8}}A_{\mu }^{a}t^{a}$

Det kan ses, at denne Lagrangian genererer, sammen med kvark-antikvark-gluon-interaktionspunktet, tre-gluon- og fire-gluon-spidser. Med andre ord førte teoriens ikke-abelske natur til interaktionen mellem gluoner og de ikke-lineære Yang-Mills ligninger .

Anvendelighed af QCD til virkelige processer

Beregninger baseret på kvantekromodynamik stemmer godt overens med eksperimentet.

Høje energier

QCD har været brugt med succes i ret lang tid i situationer, hvor kvarker og gluoner er et passende valg af frihedsgrader (i højenergi-hadroniske kollisioner), især når momentumoverførslen fra en partikel til en anden også er stor sammenlignet med de typiske hadronisk energiskala (i størrelsesordenen 1 GeV). For detaljer om anvendelsen af kvantekromodynamik til beskrivelsen af hadroniske kollisioner, se artiklen Den nuværende tilstand af teorien om stærke interaktioner .

Lave energier

Ved lavere energier, på grund af stærke mange-partikel-korrelationer, bliver arbejde i form af kvarker og gluoner af ringe betydning, og man er nødt til at bygge en effektiv teori om samspillet mellem farveløse objekter - hadroner - på basis af QCD.

Siden 2008, til QCD-beregninger, er QCD-teknikken på et gitter blevet brugt aktivt og ekstremt frugtbart - en ikke-perturbativ tilgang til kvantekromodynamiske beregninger, baseret på at erstatte en kontinuerlig rumtid med et diskret gitter og simulere igangværende processer ved hjælp af Monte Carlo metoden. Sådanne beregninger kræver brug af kraftige supercomputere , men de tillader at beregne parametre med en tilstrækkelig høj nøjagtighed, hvis beregning ved analytiske metoder er umulig. For eksempel gav beregningen af protonmassen en værdi, der afviger fra den reelle med mindre end 2 % [14] [15] . Gitter QCD gør det også muligt med acceptabel nøjagtighed at beregne masser af andre hadroner, inklusive dem, der endnu ikke er blevet opdaget, hvilket letter deres søgning.

I 2010 blev estimatet af massen af u- og d - kvarker ved hjælp af gitterberegninger skarpt forfinet: fejlen blev reduceret fra 30 % til 1,5 % [16] .

Se også

Uløste problemer i moderne fysik

Noter

↑ Nakano, T; Nishijima, N (1953). "Ladeuafhængighed for V-partikler". Fremskridt for teoretisk fysik . 10 (5): 581. Bibcode : 1953PThPh..10..581N . DOI : 10.1143/PTP.10.581 .
↑ Nishijima, K (1955). "Ladinguafhængighedsteori for V-partikler". Fremskridt for teoretisk fysik . 13 (3): 285-304. Bibcode : 1955PThPh..13..285N . DOI : 10.1143/PTP.13.285 .
↑ Gell-Mann, M (1956). "Fortolkningen af de nye partikler som fortrængte ladede multipletter". Il Nuovo Cimento . 4 (S2): 848-866. Bibcode : 1956NCim....4S.848G . DOI : 10.1007/BF02748000 .
↑ S. S. Gershtein. Hvad er en farveladning, eller hvilke kræfter binder kvarker // Sorovsky Educational Journal. - 2000. - Nr. 6 . - S. 78-84 .
↑ M. Gell-Mann (1964). "En skematisk model af baryoner og mesoner". Fysik bogstaver . 8 (3): 214-215. Bibcode : 1964PhL.....8..214G . DOI : 10.1016/S0031-9163(64)92001-3 .
↑ Murray Gell-Mann: Udvalgte papirer. — World Scientific, 2010.
↑ N. Bogolubov, B. Struminsky, A. Tavkhelidze. JINR Preprint D-1968, Dubna 1965.
↑ Han, M.Y.; Nambu, Y. (1965). "Tre-triplet model med dobbelt SU(3) symmetri" . Phys. Rev. _ 139 (4B): B1006-B1010. Bibcode : 1965PhRv..139.1006H . DOI : 10.1103/PhysRev.139.B1006 . Arkiveret fra originalen 2022-02-18 . Hentet 2022-02-18 . Forældet parameter brugt |deadlink=( hjælp )
↑ Greenberg, OW (1964). "Spin og Unitary Spin-uafhængighed i en Paraquark-model af baryoner og mesoner." Phys. Rev. Lett . 13 (20): 598-602. Bibcode : 1964PhRvL..13..598G . DOI : 10.1103/PhysRevLett.13.598 .
↑ B. V. Struminsky , Magnetiske øjeblikke af baryoner i kvarkmodellen. JINR-Preprint P-1939, 1965.
↑ F. Tkachov, Et bidrag til kvarkernes historie: Boris Struminskys JINR-publikation fra 1965 Arkiveret 6. oktober 2016 på Wayback Machine
↑ A. Tavkhelidze. Proc. Seminar om højenergifysik og elementarpartikler, Trieste, 1965, Wien IAEA, 1965, s. 763.
↑ På spørgsmålet om opdagelsen af kvantenummeret "COLOR" Arkivkopi dateret 4. marts 2016 på Wayback Machine på webstedet for INR RAS.
↑ S. Dürr, Z. Fodor, J. Frison, C. Hoelbling, R. Hoffmann, SD Katz, S. Krieg, T. Kurth, L. Lellouch, T. Lippert, KK Szabo og G. Vulvert. Ab Initio Bestemmelse af lyshadronmasser (engelsk) // Videnskab. - 2008. - 21. november ( bind 322 , nr. 5905 ). - S. 1224-1227 . - doi : 10.1126/science.1163233 . - . — PMID 19023076 .
↑ Forskere bekræfter Einsteins berømte formel (utilgængeligt link) . Membrana (24. november 2008). Dato for adgang: 1. marts 2012. Arkiveret fra originalen den 27. maj 2012. (ubestemt)
↑ De letteste kvarker vejes med en utrolig nøjagtighed (utilgængeligt link) . Membrana (7. april 2010). Dato for adgang: 1. marts 2012. Arkiveret fra originalen den 27. maj 2012. (ubestemt)

Litteratur

Jean Letessier, Johann Rafelski, T. Ericson, PY Landshoff. Hadroner og Quark-Gluon Plasma. - Cambridge University Press , 2002. - 415 s. — ISBN 9780511037276 .

Pædagogisk

Altarelli G. Introduktion til QCD Arkiveret 16. november 2013 på Wayback Machine (forelæsninger holdt på European School of High Energy Physics)
Indurain F. Kvantekromodynamik. M.: Mir, 1986. 288 s.

Historisk

S. Adler Bemærkninger om historien om kvantekromodynamikken Arkiveret 5. december 2015 på Wayback Machine
VA Matveev , AN Tavkhelidze . Kvantetalfarven, farvede kvarker og QCD (dedikeret til 40-årsdagen for opdagelsen af farve) Arkiveret 5. marts 2022 på Wayback Machine
A. N. Tavkhelidze . På spørgsmålet om opdagelsen af kvantenummeret "COLOR" Arkivkopi af 4. marts 2016 på Wayback Machine
F. Tkachov, Et bidrag til kvarkernes historie: Boris Struminskys JINR-publikation fra 1965 Arkiveret 6. oktober 2016 på Wayback Machine
Videoforelæsninger: The Theory of Strong Interactions (Professor Fadin V. S., 2014) Arkiveret 18. februar 2015 på Wayback Machine

Links

I. M. Dryomin, A. B. Kaidalov Quantum chromodynamik og fænomenologi af stærke interaktioner Arkiveret 17. januar 2008 på Wayback Machine // Uspekhi fizicheskikh nauk , bind 176, nr. 3., s. 275, 2006
QCD i Information Theory of Everything Arkiveret 3. februar 2020 på Wayback Machine

Ordbøger og encyklopædier

I bibliografiske kataloger
BNF : 11976513g GND : 4128082-9 J9U : 987007550895305171 LCCN : sh85109458 NDL : 00576344 NKC : ph122049

Afsnit af kvantefysik
Kvantemekanik kvantefeltteori kvanteoptik kvanteelektrodynamik kvantekromodynamik kvantetyngdekraften