Квантовая хромодинамика

Квантовая хромодинамика – это теория сильного взаимодействия, которое ответственно за силы действующие в атомных ядрах. Сильное взаимодействие является короткодействующим и осуществляется на малых расстояниях – 10^–13 см. Квантовая хромодинамика изучает и позволяет объяснить основные свойства протонов, нейтонов и других частиц, называемых адронами.

В основе квантовой хромодинамики лежит кварковая модель – представление, что все адроны состоят из кварков, которые и считаются по настоящему элементарными частицами. Впервые гипотеза существования кварков была выдвинута Гелл-Маном в 1964 г. Согласно этой модели адроны не являются элементарными частицами, а состоят из других частиц – кварков, которые удерживаются вместе с помощью частиц-переносчиков взаимодействия — глюонов (от английского glue – клей). Мезон состоят из пары кварк-антикварк, а барионы из трех кварков. Кварки находятся на расстоянии порядка 10^–13 см. Кварки бывают различных типов (ароматов) и являются частицами с полуцелым спином, т.е. фермионами и, следовательно, их распределение должно подчиняться принципу запрета Паули. То есть в состав одной кварковой системы могут входить частицы с разными наборами квантовых чисел. Чтобы различать состояния кварков были введено квантовое число – ароматом кварка.

Основные характеристики кварков

Обозначение	Название сорта кварка [его аромат]	Электрический заряд	Барионный заряд
d	down - вниз*	-1/3	+1/3
u	up - вверх*	+2/3	+1/3
s	strange - странный [странность, S= -1]	-1/3	+1/3
c	charm - очарованный [очарование, C= +1]	+2/3	+1/3
b	beauty - красивый (прелестный) [красота (прелесть), В =+1]	-1/3	+1/3
t	top - верхний**, truth - правдивый	+2/3	+1/3

Нуклоны и π-мезоны состоят из u и d кварков, например, протон состоит из p = uud кварков, нейтрон n = udd; в состав странных частиц входит s кварк, очарованные частицы содержат c кварки, а ипсилон частицы содержат b кварки.

Поскольку в состав частиц могут входить несколько кварков одного аромата, то чтобы удовлетворить принципу запрета Паули, было введено еще одно квантовое число – цвет. Кварк каждого «аромата» может обладать 3-мя цветовыми зарядами: «красным», «синим», «желтым». Противоположные заряды соответственно называются «антикрасным», «антисиним», «антижелтым». Суммарный цвет частицы должен быть «белым» или бесцветным. Взаимодействие кварков происходит за счёт обмена квантами цветового поля – глюонами, которые также несут различные цвета, но не чистые, а смешанные. Когда кварк испускает глюон, его цвет изменяется в зависимости от цвета глюона. Например, красный кварк, испуская красно-антисиний глюон, превращается в синий.

Поляризация вакуума

Любая частица в вакууме вызывает явление поляризации вакуума, основанное на рождении виртуальных пар. Аналогичное явление поляризации вакуума имеет место и в случае кварков. Кварк вызывает рождение пар глюонов, глюоны поляризуют глюонный вакуум, но это приводит не к экранировке как в случае электрического заряда, а к антиэкранировке цветового заряда. Цветовой заряд уменьшается внутри облака, то есть на бесконечно малых расстояниях между кварками цветовое взаимодействие выключается (ассимптотическая свобода). Увеличение расстояния приводит к росту сил взаимодействия с расстоянием, что не позволяет кваркам отдаляться друг от друга.

Антиэкранировка цветового заряда приводит к тому, что кварк нельзя получить в свободном виде (проблема конфайнмента (confirment) —невылетания кварков из адронов). О существовании кварков можно судить на основе косвенных экспериментов, в которых исследуется внутренняя структура адронов. При рассеивании на адронах частиц высоких энергий на экране выделяются области повышенной плотности, которые и были интерпретированы как кварки. Однако ни кому не удавалось наблюдать свободный кварк. Кварки «пленены» в адронах и никогда не удаляются друг от друга больше, чем на расстояние 10^–13 см. В то же время на более близких расстояниях они ведут себя как свободные частицы и это явление известно под названием «ассимптотическая свобода».