Цвет заряда - Color charge

Цвет заряда является собственностью кварки и глюоны что связано с частицами сильные взаимодействия в теории квантовая хромодинамика (QCD).

«Цветовой заряд» кварков и глюонов совершенно не имеет отношения к повседневному значению цвет. Период, термин цвет а ярлыки красный, зеленый и синий стали популярными просто из-за слабой аналогии с основными цветами. Ричард Фейнман назвал своих коллег «идиотами-физиками» за выбор сбивающего с толку имени.^[1]

Частицы имеют соответствующие античастицы. Частица с красным, зеленым или синим зарядом имеет соответствующий античастица в котором цветной заряд должен быть антицветом красного, зеленого и синего соответственно, чтобы цветной заряд сохранялся в частице-античастице. творчество и уничтожение. Физики элементарных частиц называют их антикрасным, антизеленым и антисиним. Все три цвета, смешанные вместе, или любой из этих цветов и его дополнение (или отрицательное), является «бесцветным» или «белым» и имеет нулевой чистый цветовой заряд. Благодаря свойству сильного взаимодействия, называемого ограничение цвета, свободные частицы должен иметь нулевой цветовой заряд: барион состоит из трех кварков, каждый из которых должен быть красного, зеленого и синего цветов; аналогично антибарион состоит из трех антикварков, по одному из антикрасного, антизеленого и антисинего. А мезон состоит из одного кварка и одного антикварка; кварк может быть любого цвета, и антикварк имеет соответствующий антицвет. Этот цветной заряд отличается от электрического заряда тем, что электрический заряд имеет только одну ценность. Однако цветной заряд также похож на электрический заряд в том, что цветной заряд также имеет отрицательный заряд, соответствующий каждому виду значения.

Вскоре после того, как в 1964 году было впервые предложено существование кварков, Оскар В. Гринберг ввел понятие цветового заряда, чтобы объяснить, как кварки могут сосуществовать внутри некоторых адроны в в остальном идентичные квантовые состояния не нарушая Принцип исключения Паули. Теория квантовой хромодинамики разрабатывалась с 1970-х годов и составляет важный компонент Стандартная модель физики элементарных частиц.^{[нужна цитата ]}

Красный, зеленый и синий

В квантовой хромодинамике (КХД) цвет кварка может принимать одно из трех значений или зарядов: красный, зеленый и синий. Антикварк может иметь один из трех антицветов: анти-красный, анти-зеленый и анти-синий (представленные как голубой, пурпурный и желтый соответственно). Глюоны представляют собой смесь двух цветов, например красного и антизеленого, что составляет их цветовой заряд. КХД считает уникальными восемь глюонов из девяти возможных комбинаций цвет – антицвет; видеть восемь глюонных цветов для объяснения.

Следующее иллюстрирует константы связи для цветных заряженных частиц:

Цвета кварка (красный, зеленый, синий) вместе становятся бесцветными.
Антицветные кварки (антикрасный, антизеленый, антисиний) также являются бесцветными.

Адрон с 3 кварками (красный, зеленый, синий) до изменения цвета
Синий кварк излучает сине-антизеленый глюон
Зеленый кварк поглотил сине-антизеленый глюон и стал синим; цвет остается сохраненным
Анимация взаимодействия внутри нейтрона. Глюоны представлены в виде кружков с цветным зарядом в центре и антицветным зарядом снаружи.

Полевые линии от цветных зарядов

Аналогично электрическое поле и электрические заряды, сильную силу, действующую между цветными зарядами, можно изобразить с помощью силовых линий. Однако линии цветового поля не так сильно изгибаются наружу от одного заряда к другому, потому что они плотно стянуты глюонами (в пределах 1 FM ).^[2] Этот эффект ограничивает кварки в адроны.

Поля из-за цветных зарядов, как в кварки (г это тензор напряженности глюонного поля ). Это «бесцветные» комбинации. Вершина: Цветной заряд имеет «тройные нейтральные состояния», а также двоичную нейтральность (аналогично электрический заряд ). Дно: Комбинации кварк / антикварк.^[3]^[4]

Константа связи и заряд

В квантовая теория поля, а константа связи и заряд - разные, но родственные понятия. Константа связи устанавливает величину силы взаимодействия; например, в квантовая электродинамика, то постоянная тонкой структуры - константа связи. Заряд в калибровочная теория имеет отношение к способу преобразования частицы в соответствии с калибровочной симметрией; т.е. его представление под калибровочной группой. Например, электрон имеет заряд −1, а позитрон имеет заряд +1, что означает, что преобразование шкалы в некотором смысле оказывает на них противоположное влияние. В частности, если местный калибровочное преобразование $ϕ (Икс)$ применяется в электродинамике, то находим (используя обозначение тензорного индекса ):

{ displaystyle A _ { mu} to A _ { mu} + partial _ { mu} phi (x),}

{ Displaystyle psi к ехр [+ iQ phi (x)] psi,}

и

{ displaystyle { overline { psi}} to exp [-iQ phi (x)] { overline { psi}}}

где ${ displaystyle A _ { mu}}$ это фотон поле и $ψ$ электронное поле с $Q = -1$ (бар над $ψ$ обозначает его античастицу - позитрон). Поскольку КХД является неабелев В теории представления и, следовательно, цветовые заряды более сложны. Они рассматриваются в следующем разделе.

Кварковые и глюонные поля и цветовые заряды

Схема сильных зарядов для трех цветов кварка, трех антикварков и восьми глюонов (с двумя перекрывающимися нулевыми зарядами).

В КХД калибровочная группа - это неабелева группа SU (3). В ходовая муфта обычно обозначается α_s. Каждый аромат кварка принадлежит к фундаментальное представление (3) и содержит тройку полей, вместе обозначаемых $ψ$ . В антикварк поле принадлежит комплексно-сопряженное представление (3^*), а также содержит тройку полей. Мы можем написать

{ displaystyle psi = { begin {pmatrix} psi _ {1} psi _ {2} psi _ {3} end {pmatrix}}}

и

{ displaystyle { overline { psi}} = { begin {pmatrix} { overline { psi}} _ {1} ^ {*} { overline { psi}} _ {2} ^ { *} { overline { psi}} _ {3} ^ {*} end {pmatrix}}.}

Глюон содержит октет полей (см. глюонное поле ) и принадлежит присоединенное представительство (8), и его можно записать с помощью Матрицы Гелл-Манна так как

{ displaystyle { mathbf {A}} _ { mu} = A _ { mu} ^ {a} lambda _ {a}.}

(существует подразумеваемое суммирование над а = 1, 2, ... 8). Все остальные частицы принадлежат к тривиальное представление (1) цвета SU (3). В цветной заряд каждого из этих полей полностью определяется представлениями. Кварки имеют цветовой заряд красного, зеленого или синего цвета, а антикварки имеют цветовой заряд антикрасный, антизеленый или антисиний. Глюоны имеют комбинацию двух цветных зарядов (красный, зеленый или синий и один из анти-красного, антизеленого и антисинего) в суперпозиции состояний, которые задаются матрицами Гелл-Манна. Все остальные частицы имеют нулевой цветной заряд. С математической точки зрения, цветовой заряд частицы - это величина некоторого квадратичного Оператор Казимира в представлении частицы.

На простом языке, введенном ранее, три индекса «1», «2» и «3» в приведенном выше триплете кварков обычно обозначаются тремя цветами. Красочный язык упускает из виду следующее. Калибровочное преобразование цвета SU (3) можно записать как $ψ \to U ψ$ , где $U$ это $3 \times 3$ матрица, принадлежащая группе SU (3). Таким образом, после калибровочного преобразования новые цвета представляют собой линейные комбинации старых цветов. Короче говоря, введенный ранее упрощенный язык не является калибровочно-инвариантным.

Цветовой заряд сохраняется, но бухгалтерский учет, связанный с этим, сложнее, чем просто суммирование зарядов, как это делается в квантовой электродинамике. Один простой способ сделать это - посмотреть на вершину взаимодействия в КХД и заменить ее представлением в виде цветных линий. Смысл в следующем. Позволять $ψ я$ представляют $я$ -й компонент кваркового поля (свободно называемый $я$ -й цвет). В цвет глюона аналогично задается формулой $А$ которая соответствует конкретной матрице Гелл-Манна, с которой она связана. Эта матрица имеет индексы $я$ и $j$ . Эти цветные метки на глюоне. В вершине взаимодействия $q я \to г я j + q j$ . В цветная линия представление отслеживает эти индексы. Сохранение цветового заряда означает, что концы этих цветных линий должны быть либо в начальном, либо в конечном состоянии, что эквивалентно, что ни одна линия не прерывается в середине диаграммы.

Цветное представление 3-глюонной вершины

Поскольку глюоны несут цветной заряд, два глюона также могут взаимодействовать. Типичная вершина взаимодействия (называемая трехглюонной вершиной) для глюонов включает g + g → g. Это показано здесь вместе с его цветной линией. Диаграммы цветных линий можно переформулировать в терминах законов сохранения цвета; однако, как отмечалось ранее, это не калибровочно-инвариантный язык. Обратите внимание, что в типичном неабелева калибровочная теория то калибровочный бозон несет ответственность за теорию и, следовательно, имеет взаимодействия такого рода; например, W-бозон в электрослабой теории. В электрослабой теории W также несет электрический заряд и, следовательно, взаимодействует с фотоном.

Смотрите также

дальнейшее чтение

Георгий, Ховард (1999), Алгебры Ли в физике элементарных частиц, Книжная группа Персей, ISBN 978-0-7382-0233-4.
Гриффитс, Дэвид Дж. (1987), Введение в элементарные частицы, Нью-Йорк: John Wiley & Sons, ISBN 978-0-471-60386-3.
Кристман, Дж. Ричард (2001), «Цвет и очарование» (PDF), Проект PHYSNET документ MISN-0-283 Внешняя ссылка в | работа = (Помогите).
Хокинг, Стивен (1998), Краткая история времени, Издательство Bantam Dell Publishing Group, ISBN 978-0-553-10953-5.
Близко, Фрэнк (2007), Новый космический лук, Тейлор и Фрэнсис, ISBN 978-1-58488-798-0.

[1] Фейнман, Ричард (1985), QED: странная теория света и материи, Princeton University Press, стр. 136, ISBN 978-0-691-08388-9, Идиоты-физики, которые больше не могут придумать никаких чудесных греческих слов, называют этот тип поляризации неудачным названием «цвет», которое не имеет ничего общего с цветом в обычном смысле.

[2] Р. Резник, Р. Эйсберг (1985), Квантовая физика атомов, молекул, твердых тел, ядер и частиц (2-е изд.), John Wiley & Sons, стр.684, ISBN 978-0-471-87373-0

[3] Паркер, C.B. (1994), Энциклопедия физики Макгроу Хилла (2-е изд.), Мак Гроу Хилл, ISBN 978-0-07-051400-3

[4] М. Мэнсфилд, К. О’Салливан (2011), Понимание физики (4-е изд.), John Wiley & Sons, ISBN 978-0-47-0746370

[1]

[2]

[3]

[4]