Квантовая хромодинамка - это теория квантовых полей. Она описывает процессы сильного взаимодействия элементарных частиц.
Квантовая хромодинамика, наряду с теорией электрослабого взаимодействия, представляет теоретическую основу для физики элементарных частиц.
История возникновения квантовой хромодинамики
Изобретение специальной пузырьковой камеры способствовало обнаружению в 1950-х годах большого и постоянно растущего числа частиц (адронов). Было установлено, что все они не могут относиться к элементарным.
Ученые классифицировали данные частицы по изоспину и электрическому заряду. Далее адроны для лучшего понимания их свойств объединили в группы и по некоторым другим схожим свойствам (массе, жизненному циклу и др.).
Г. Манн в 1963 г. и Дж. Цвейг объяснили структуру этих групп существованием внутри адронов более элементарных структурных элементов. Такие частицы получили название «кварки». На тот момент все разнообразие известных адронов ученые могли выстроить только из трех кварков: $u$, $d$, $s$. Впоследствии были открыты еще три кварка. Они оказались более массивными. Каждый из них - носитель определенного квант-числа.
В 1965 г. ученые Н. Боголюбов, Б. Струминский, О. Гринберг и др. высказали версию-предположение о наличии у кварка дополнительных степеней свободы группы $SU(3)$. Позднее они получили название «цветовые заряды». Поскольку ученым не удалось обнаружить свободные кварки, они стали считаться не реальными частицами, а удобными математическими конструкциями.
Согласно результатам экспериментов по рассеянию электронов на протонах и связанных нейтронах, ученые выяснили, каким образом происходит рассеяние. Так, удалось установить, что рассеяние в области больших энергий осуществляется на элементах внутренней структуры более меньших размеров, чем нуклон. Такие элементы получили название «партоны» (поскольку представляют части адронов).
Согласно дальнейшим исследованиям, партоны следует отождествлять с кварками и глюонами.
Поскольку сила взаимодействия цветовых зарядов друг с другом не будет уменьшаться с расстоянием, кварки и глюоны, предположительно, никогда не будут высвобождаться из адрона. Существует подтверждение этому по расчетам решеточного метода хромодинамики, но математических доказательств нет.
Применение квантовой хромодинамики к реальным процессам
Расчеты на основе квантовой хромодинамики должна дополнять экспериментальная часть, когда рассматриваются:
- высокие энергии;
- низкие энергии.
Квантовая хромодинамика уже долгое время успешно применяется в ситуации, когда глюоны и кварки представляют адекватный выбор степеней свободы. Такие ситуации могут возникать:
- если наблюдаются адронные столкновения высоких энергий;
- когда передача импульса между частицами также велика, сравнительно со стандартным адронным энергетическим масштабом (около 1 ГэВ).
В случае с более низкими энергиями, сильные многочастичные корреляции делают работу в терминах кварков малоосмысленной. По этой причине, по мнению ученых, на основе хромодинамики квантов должна быть построена эффективная теория взаимодействия таких бесцветных объектов, как адроны.
Начиная с 2008 г., при расчетах хромодинамики квантов ученые стали задействовать методику «на решетке». Она представляет специальный (непертурбативный) подход к квант-хромодинамическим расчетам. Данный подход основан на замене непрерывного времени-пространства на дискретную решетку, а также симуляции выполняемых процессов посредством применения метода Монте-Карло.
Такие расчеты требуют задействования сверхмощных компьютеров. При этом они позволяют рассчитывать параметры в очень высокой точностью, что невозможно по аналитическим методам. Расчет массы протона, например, дал величину, отличающуюся от реальной меньше, чем на 2%. Подобный метод позволяет с точностью рассчитать и массы других адронов (даже тех, которые еще не открыты). Это существенно облегчает их поиск.
Цвет в квантовой хромодинамике
Основу квантовой хромодинамики составляет постулат о том, что каждый кварк имеет новое внутреннее квант-число, условно названное «цветом» (цветовым зарядом). При этом данный термин не относится к оптическим цветам и введен в физике только с целью популяризации.
Инвариантная в цветовом пространстве комбинация представляет сумму трех разных цветов.
Цвет как новая внутренняя степень свободы, означает присвоение кварковому полю вектора состояния $q^i$ единичной длины в цветовом комплексном трехмерном пространстве $C(3)$.
Вращения в нем будут линейными преобразованиями, сохраняющими длину и образующими группу $SU(3)$.
Элементы группы $SU(3)$ можно получить за счет экспоненцирования $ASU(3)$. Этого следует, что $q^i=U_j^I q^j j$ можно записать в таком виде:
$U=\exp(ic_a t^a)$
