Квантовая хромодинамика - Википедия - Quantum chromodynamics

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален Найдите источники: «Квантовая хромодинамика»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Март 2017 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Стандартная модель из физика элементарных частиц
Элементарные частицы из Стандартная модель
Фон Физика элементарных частиц Стандартная модель Квантовая теория поля Калибровочная теория Спонтанное нарушение симметрии Механизм Хиггса
Избиратели Электрослабое взаимодействие Квантовая хромодинамика Матрица СКМ Стандартная модель математики
Ограничения Сильная проблема CP Проблема иерархии Колебания нейтрино Физика за пределами стандартной модели
Ученые Резерфорд  · Томсон  · Чедвик  · Bose  · Сударшан  · Кошиба  · Дэвис-младший  · Андерсон  · Ферми  · Дирак  · Фейнман  · Rubbia  · Гелл-Манн  · Кендалл  · Тейлор  · Фридман  · Пауэлл  · П. В. Андерсон  · Глэшоу  · Илиопулос  · Майани  · Meer  · Cowan  · Намбу  · Чемберлен  · Cabibbo  · Шварц  · Perl  · Майорана  · Вайнберг  · Ли  · сторожить  · Салам  · Кобаяши  · Maskawa  · Ян  · Юкава  · 'т Хофт  · Вельтман  · Валовой  · Политцер  · Вильчек  · Кронин  · Fitch  · Vleck  · Хиггс  · Энглерт  · Brout  · Hagen  · Гуральник  · Kibble  · Тинг  · Рихтер

В теоретическая физика, квантовая хромодинамика (QCD) - теория сильное взаимодействие между кварки и глюоны, фундаментальные частицы, составляющие композитный адроны такой как протон, нейтрон и пион. КХД - это разновидность квантовая теория поля называется неабелева калибровочная теория, с группой симметрии SU (3). КХД аналог электрического заряда - это свойство, называемое цвет. Глюоны - это носитель силы теории, так же как фотоны для электромагнитной силы в квантовая электродинамика. Теория - важная часть Стандартная модель из физика элементарных частиц. Большое тело экспериментальные доказательства КХД собирался годами.

КХД проявляет два основных свойства:

• Ограничение цвета. Это является следствием постоянной силы между двумя цветными зарядами, поскольку они разделены: чтобы увеличить расстояние между двумя кварками в адроне, требуется постоянно увеличивающееся количество энергии. В конце концов, эта энергия становится такой большой, что спонтанно производить кварк-антикварковая пара, превращающая исходный адрон в пару адронов вместо создания изолированного цветного заряда. Хотя это и не доказано аналитически, ограничение цвета хорошо установлено из решеточная КХД расчеты и десятилетия экспериментов.^[1]

• Асимптотическая свобода, постоянное уменьшение силы взаимодействий между кварками и глюонами по мере увеличения энергетического масштаба этих взаимодействий (и уменьшения соответствующего масштаба длины). Асимптотическая свобода КХД была открыта в 1973 г. Дэвид Гросс и Франк Вильчек,^[2] и независимо Дэвид Политцер в том же году.^[3] Для этой работы все трое разделили 2004 Нобелевская премия по физике.^[4]

Терминология

Физик Мюррей Гелл-Манн придумал слово кварк в его нынешнем смысле. Первоначально оно происходит от фразы «Три кварка для марки Muster» в Поминки по Финнегану к Джеймс Джойс. 27 июня 1978 года Гелл-Манн написал частное письмо редактору журнала. Оксфордский словарь английского языка, в котором он рассказал, что на него повлияли слова Джойса: «Намек на три кварка казался идеальным». (Первоначально было открыто только три кварка.)^[5]

Три вида обвинять в КХД (в отличие от одного в квантовая электродинамика или QED) обычно упоминаются как "цветной заряд "по свободной аналогии с тремя видами цвет (красный, зеленый и синий) воспринимается людьми. Помимо этой номенклатуры, квантовый параметр «цвет» совершенно не связан с повседневным, привычным явлением цвета.

Сила между кварками известна как цветовая сила ^[6] (или же цветовая сила ^[7]) или же сильное взаимодействие, и отвечает за сильная ядерная сила.

Так как теория электрического заряда получила название "электродинамика ", Греческий слово χρῶμα цветность «цвет» применяется к теории цветового заряда, «хромодинамике».

История

С изобретением пузырьковые камеры и искровые камеры в 1950-е годы экспериментальные физика элементарных частиц открыл большое и постоянно растущее число частиц, называемых адроны. Казалось, что такое большое количество частиц не может быть фундаментальный. Сначала частицы были классифицированы по обвинять и изоспин к Юджин Вигнер и Вернер Гейзенберг; затем, в 1953–56 гг.,^[8][9][10] в соответствии с странность к Мюррей Гелл-Манн и Кадзухико Нисидзима (видеть Формула Гелл-Манна – Нисиджимы ). Чтобы лучше понять, адроны были разделены на группы, имеющие одинаковые свойства и массы, с использованием восьмеричный путь, изобретенный в 1961 году Гелл-Манном^[11] и Юваль Нееман. Гелл-Манн и Джордж Цвейг, исправляя более ранний подход Шоичи Саката в 1963 г. предположил, что структуру групп можно объяснить существованием трех ароматы частиц меньшего размера внутри адронов: кварки. Гелл-Манн также кратко обсудил модель теории поля, в которой кварки взаимодействуют с глюонами.^[12][13]

Возможно, первое замечание о том, что кварки должны обладать дополнительным квантовым числом, было сделано^[14] в виде короткой сноски в препринте Борис Струминский^[15] в связи с Ω⁻ гиперон состоит из трех странные кварки с параллельными спинами (эта ситуация была своеобразной, так как кварки фермионы, такая комбинация запрещена Принцип исключения Паули ):

Три одинаковых кварка не могут образовывать антисимметричное S-состояние. Чтобы реализовать антисимметричное орбитальное S-состояние, кварку необходимо иметь дополнительное квантовое число.

— Струминский Б.В. Магнитные моменты барионов в кварковой модели. ОИЯИ -Препринт П-1939, Дубна, сдан 7 января 1965 г.

Борис Струминский был аспирантом Николай Боголюбов. Проблема, рассматриваемая в этом препринте, была предложена Николаем Боголюбовым, который консультировал Бориса Струминского в этом исследовании.^[15] В начале 1965 г. Николай Боголюбов, Борис Струминский и Альберт Тавхелидзе написал препринт с более подробным обсуждением дополнительной квантовой степени свободы кварка.^[16] Эта работа также была представлена ​​Альбертом Тавхелидзе без согласия его сотрудников на это на международной конференции в г. Триест (Италия), май 1965 г.^[17][18]

Похожая загадочная ситуация была с Δ⁺⁺ барион; в кварковой модели он состоит из трех до кварков с параллельными вращениями. В 1964–65 гг. Гринберг^[19] и Хан –Намбу^[20] независимо решил проблему, предположив, что кварки обладают дополнительным SU (3) измерять степень свободы, позже названный цветной зарядкой. Хан и Намбу отметили, что кварки могут взаимодействовать через октет вектора калибровочные бозоны: the глюоны.

Поскольку поиски свободных кварков постоянно не давали никаких доказательств существования новых частиц, и потому что тогда элементарная частица была определенный Как частица, которую можно отделить и изолировать, Гелл-Манн часто говорил, что кварки - это просто удобные математические конструкции, а не настоящие частицы. Смысл этого утверждения обычно был ясен в контексте: он имел в виду, что кварки ограничены, но он также имел в виду, что сильные взаимодействия, вероятно, не могут быть полностью описаны квантовой теорией поля.

Ричард Фейнман утверждал, что эксперименты с высокими энергиями показали, что кварки являются реальными частицами: он назвал их партоны (поскольку они были частями адронов). Под частицами Фейнман имел в виду объекты, которые движутся по траекториям, элементарные частицы в теории поля.

Разница между подходами Фейнмана и Гелл-Манна отражала глубокий раскол в сообществе теоретической физики. Фейнман думал, что кварки имеют распределение положения или импульса, как и любая другая частица, и он (правильно) полагал, что диффузия импульса партона объясняет дифракционное рассеяние. Хотя Гелл-Манн считал, что определенные заряды кварков могут быть локализованы, он был открыт для возможности того, что сами кварки не могут быть локализованы из-за разрушения пространства и времени. Это был более радикальный подход Теория S-матрицы.

Джеймс Бьоркен предположил, что точечные партоны предполагают определенные отношения в глубоконеупругое рассеяние из электроны и протонов, которые были проверены в экспериментах на SLAC в 1969 году. Это заставило физиков отказаться от S-матричного подхода к сильным взаимодействиям.

В 1973 г. концепция цвет как источник «сильного поля» был развит в теорию КХД физиками Харальд Фрич и Генрих Лойтвайлер вместе с физиком Мюрреем Гелл-Манном.^[21] В частности, они использовали общую теорию поля, развитую в 1954 г. Чен Нин Ян и Роберт Миллс^[22] (видеть Теория Янга – Миллса ), в котором частицы-носители силы могут сами излучать другие частицы-носители. (Это отличается от QED, где фотоны, несущие электромагнитную силу, не излучают дальнейшие фотоны.)

Открытие асимптотическая свобода в сильных взаимодействиях Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Франк Вильчек позволил физикам делать точные предсказания результатов многих экспериментов с высокими энергиями, используя технику квантовой теории поля. теория возмущений. Свидетельства глюонов были обнаружены в трехструйные события в ПЕТРА в 1979 году. Эти эксперименты становились все более и более точными, достигая высшей точки в подтверждении пертурбативная КХД на уровне нескольких процентов на уровне LEP в ЦЕРН.

Другая сторона асимптотической свободы - это заключение. Поскольку сила между цветными зарядами не уменьшается с расстоянием, считается, что кварки и глюоны никогда не могут быть освобождены из адронов. Этот аспект теории проверяется в решеточная КХД вычислений, но математически не доказано. Один из Задачи Премии тысячелетия объявленный Институт математики Клэя требует, чтобы истец представил такое доказательство. Другие аспекты непертурбативный КХД - это исследование фаз кварковая материя, в том числе кварк-глюонная плазма.

Связь между пределом частиц на короткие расстояния и ограничивающими пределами на большие расстояния является одной из тем, недавно исследованных с использованием теория струн, современная форма теории S-матриц.^[23][24]

Теория

Некоторые определения

Нерешенная проблема в физике: КХД в не-пертурбативный режим: Заключение: уравнения КХД остаются нерешенными при шкалы энергии актуально для описания атомные ядра. Как КХД дает начало физике ядер и ядерных составляющих? Кварковая материя: уравнения КХД предсказывают, что плазма (или суп) кварков и глюонов должны формироваться при высокой температуре и плотности. Каковы свойства этого фаза материи ? (больше нерешенных задач по физике)

Каждая полевая теория физика элементарных частиц основана на определенных симметриях природы, существование которых выводится из наблюдений. Это может быть

• локальные симметрии, то есть симметрии, которые действуют независимо в каждой точке пространство-время. Каждая такая симметрия является основой калибровочная теория и требует введения собственного калибровочные бозоны.
• глобальные симметрии, которые представляют собой симметрии, операции которых должны применяться одновременно ко всем точкам пространства-времени.

КХД - это неабелева калибровочная теория (или Теория Янга – Миллса ) из SU (3) калибровочная группа, полученная взятием цветной заряд для определения локальной симметрии.

Поскольку сильное взаимодействие не делает различий между разными ароматами кварков, КХД имеет приблизительную симметрия аромата, которое нарушается разной массой кварков.

Существуют дополнительные глобальные симметрии, определения которых требуют понятия хиральность, различение между левым и правым. Если вращение частицы имеет положительный проекция по направлению движения его называют левым; в противном случае он правый. Хиральность и хиральность - не одно и то же, но при высоких энергиях становятся примерно эквивалентными.

• Хиральный Симметрии включают независимые преобразования этих двух типов частиц.
• Вектор Симметрии (также называемые диагональными симметриями) означают, что одно и то же преобразование применяется к двум киральностям.
• Осевой Симметрии - это те, в которых одно преобразование применяется к левым частицам, а обратное - к правым.

Дополнительные примечания: двойственность

Как уже упоминалось, асимптотическая свобода означает, что при большой энергии - это также соответствует короткие расстояния - между частицами практически нет взаимодействия. Это контраст - точнее можно сказать двойной - к тому, к чему привык, поскольку обычно отсутствие взаимодействия связывают с большой расстояния. Однако, как уже упоминалось в оригинальной статье Франца Вегнера,^[25] теоретик твердого тела, который в 1971 году представил простые калибровочно-инвариантные модели решетки, высокотемпературное поведение оригинальная модель, например сильное затухание корреляций на больших расстояниях соответствует низкотемпературному поведению (обычно упорядоченного!) двойная модель, а именно асимптотическое затухание нетривиальных корреляций, например короткие отклонения от почти идеального расположения на короткие расстояния. Здесь, в отличие от Вегнера, мы имеем только дуальную модель, которая описана в этой статье.^[26]

Группы симметрии

Цветовая группа SU (3) соответствует локальной симметрии, калибровка которой приводит к КХД. Электрический заряд обозначает представление локальной группы симметрии U (1), которая калибрована, чтобы дать QED: это абелева группа. Если рассматривать вариант КХД с N_ж ароматов безмассовых кварков, то существует глобальный (хиральный ) группа симметрии аромата SU_L(N_ж) × SU_р(N_ж) × U_B(1) × U_А(1). Киральная симметрия самопроизвольно сломанный посредством КХД вакуум вектору (L + R) SU_V(N_ж) с образованием хиральный конденсат. Векторная симметрия U_B(1) соответствует барионному числу кварков и является точной симметрией. Осевая симметрия U_А(1) является точным в классической теории, но нарушается в квантовой теории. аномалия. Конфигурации глюонного поля, называемые инстантоны тесно связаны с этой аномалией.

Есть два разных типа SU (3) -симметрии: есть симметрия, которая действует на разные цвета кварков, и это точная калибровочная симметрия, опосредованная глюонами, а также есть симметрия аромата, которая вращает разные ароматы кварков. друг к другу, или аромат СУ (3). Ароматизатор SU (3) является приблизительной симметрией вакуума КХД, а вовсе не фундаментальной симметрией. Это случайное следствие малой массы трех самых легких кварков.

в КХД вакуум есть вакуумные конденсаты всех кварков, масса которых меньше масштаба КХД. Сюда входят верхние и нижние кварки и, в меньшей степени, странный кварк, но не все остальные. Вакуум симметричен относительно SU (2) изоспин вращения вверх и вниз и, в меньшей степени, при вращениях вверх, вниз и странной или полной ароматической группы SU (3), и наблюдаемые частицы образуют изоспиновые и SU (3) мультиплеты.

Приближенные симметрии ароматов действительно связаны с калибровочными бозонами, наблюдаемыми частицами, такими как ро и омега, но эти частицы не похожи на глюоны, и они не безмассовые. Они являются эмерджентными калибровочными бозонами в приближенном строковое описание QCD.

Лагранжиан

Динамика кварков и глюонов контролируется квантовой хромодинамикой. Лагранжиан. В калибровочный инвариант Лагранжиан КХД равен

куда ${ Displaystyle psi _ {я} (х) ,}$ - поле кварков, динамическая функция пространства-времени, в фундаментальное представление из SU (3) измерять группа, проиндексировано ${ Displaystyle я, , j, , ldots}$; ${ displaystyle D _ { mu}}$ это калибровочная ковариантная производная; γ^μ находятся Матрицы Дирака соединяя спинорное представление с векторным представлением Группа Лоренца.

Символ ${ Displaystyle G _ { mu nu} ^ {а} ,}$ представляет собой калибровочный инвариант тензор напряженности глюонного поля, аналогично тензор напряженности электромагнитного поля, F^μν, в квантовая электродинамика. Выдается:^[27]

${ Displaystyle G _ { mu nu} ^ {a} = partial _ { mu} { mathcal {A}} _ { nu} ^ {a} - partial _ { nu} { mathcal { A}} _ { mu} ^ {a} + gf ^ {abc} { mathcal {A}} _ { mu} ^ {b} { mathcal {A}} _ { nu} ^ {c} ,,}$

куда ${ Displaystyle { mathcal {A}} _ { mu} ^ {а} (х) ,}$ являются глюонные поля, динамические функции пространства-времени, в присоединенное представительство калибровочной группы SU (3), индексируемой а, б, ...; и ж_abc являются структурные константы из SU (3). Обратите внимание, что правила перемещения вверх или вниз а, б, или же c индексы банальный, (+, ..., +), так что ж^abc = ж_abc = ж^а_{до н.э} тогда как для μ или же ν индексы есть нетривиальные релятивистский правила, соответствующие метрическая подпись (+ − − −).

Переменные м и грамм соответствуют массе кварка и связи теории соответственно, которые подлежат перенормировке.

Важной теоретической концепцией является Петля Вильсона (названный в честь Кеннет Г. Уилсон ). В решеточной КХД последний член вышеупомянутого лагранжиана дискретизируется с помощью петель Вильсона, и в более общем случае поведение петель Вильсона может различать ограниченный и деконфигурированные фазы.

Поля

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

Кварки имеют массивный спин-¹⁄₂ фермионы которые несут цветной заряд чья калибровка является содержанием КХД. Кварки представлены Поля Дирака в фундаментальное представление 3 из группа датчиков SU (3). Они также несут электрический заряд (либо -¹⁄₃ или +²⁄₃) и участвовать в слабые взаимодействия как часть слабый изоспин дублеты. Они несут глобальные квантовые числа, включая барионное число, который¹⁄₃ для каждого кварка, сверхзаряд и один из квантовые числа аромата.

Глюоны спин-1 бозоны которые также несут цветные обвинения, поскольку они лежат в присоединенное представительство 8 из SU (3). Они не имеют электрического заряда, не участвуют в слабых взаимодействиях и не имеют аромата. Они лежат в синглетное представление 1 всех этих групп симметрии.

У каждого кварка есть свой антикварк. Заряд каждого антикварка прямо противоположен заряду соответствующего кварка.

Динамика

По правилам квантовая теория поля, и связанные Диаграммы Фейнмана вышеупомянутая теория порождает три основных взаимодействия: кварк может излучать (или поглощать) глюон, глюон может излучать (или поглощать) глюон, и два глюона могут напрямую взаимодействовать. Это контрастирует с QED, в котором имеет место только первый вид взаимодействия, так как фотоны бесплатно. Диаграммы с участием Призраки Фаддеева – Попова тоже необходимо учитывать (кроме датчик унитарности ).

Районное право и конфайнмент

Детальные вычисления с указанным выше лагранжианом^[28] показывают, что эффективный потенциал между кварком и его антикварком в мезон содержит член, который увеличивается пропорционально расстоянию между кварком и антикварком (${ displaystyle propto r}$), что представляет собой некую «жесткость» взаимодействия частицы и ее античастицы на больших расстояниях, аналогичную энтропийная эластичность из резинка группа (см. ниже). Это ведет к заключение ^[29] кварков внутрь адронов, т.е. мезоны и нуклоны, с типичными радиусами р_c, что соответствует бывшему "Модели сумок "адронов^[30] Порядок «радиуса мешка» составляет 1 фм (= 10⁻¹⁵ м). Более того, упомянутая выше жесткость количественно связана с так называемым "законом площади" поведения математического ожидания Петля Вильсона товар п_W упорядоченных констант связи вокруг замкнутого контура W; т.е. ${ Displaystyle , langle P_ {W} rangle}$ пропорционально площадь заключен в петлю. Для этого поведения существенно неабелево поведение калибровочной группы.

Методы

Дальнейший анализ содержания теории затруднен. Для работы с КХД разработаны различные методы. Некоторые из них кратко обсуждаются ниже.

Пертурбативная КХД

Этот подход основан на асимптотической свободе, которая позволяет теория возмущений для точного использования в экспериментах, проводимых при очень высоких энергиях. Несмотря на ограниченные масштабы, этот подход позволил провести самые точные на сегодняшний день тесты КХД.

Решетка КХД

Кварк и антикварк (красный цвет) склеиваются (зеленый цвет), образуя мезон (результат моделирования решеточной КХД М. Кардосо и др.^[31])

Среди непертурбативных подходов к КХД наиболее хорошо установлен решеточная КХД. Этот подход использует дискретный набор точек пространства-времени (называемый решеткой) для сведения аналитически неразрешимых интегралов по траекториям теории континуума к очень сложным численным вычислениям, которые затем выполняются на суперкомпьютеры словно QCDOC который был построен именно для этой цели. Хотя это медленный и ресурсоемкий подход, он имеет широкое применение, позволяя понять те части теории, которые недоступны другими средствами, в частности, явные силы, действующие между кварками и антикварками в мезоне. Тем не менее проблема с числовым знаком затрудняет использование решеточных методов для исследования КХД при высокой плотности и низкой температуре (например, ядерное вещество или недра нейтронных звезд).

​¹⁄_N расширение

Известная аппроксимационная схема ​¹⁄_N расширение, исходит из того, что количество цветов бесконечно, и вносит ряд исправлений, чтобы учесть тот факт, что это не так. До сих пор он был источником качественной информации, а не методом количественных прогнозов. Современные варианты включают AdS / CFT подход.

Эффективные теории

Для конкретных задач могут быть записаны эффективные теории, которые в определенных пределах дают качественно правильные результаты. В лучшем случае их можно затем получить как систематические разложения по некоторому параметру лагранжиана КХД. Один такой эффективная теория поля является киральная теория возмущений или ChiPT, эффективная теория КХД при низких энергиях. Точнее, это низкоэнергетическое расширение, основанное на спонтанном нарушении киральной симметрии КХД, которое является точной симметрией, когда массы кварков равны нулю, но для кварков u, d и s, которые имеют малую массу, это все еще хорошая приблизительная симметрия. В зависимости от количества кварков, которые считаются легкими, используется либо SU (2) ChiPT, либо SU (3) ChiPT. Другие эффективные теории: эффективная теория тяжелых кварков (который расширяется вокруг массы тяжелого кварка вблизи бесконечности), и мягко-коллинеарная эффективная теория (который расширяется вокруг больших соотношений энергетических масштабов). Помимо эффективных теорий, такие модели, как Модель Намбу – Йона-Лазинио и хиральная модель часто используются при обсуждении общих характеристик.

Правила сумм КХД

На основании Расширение продукта оператора можно вывести наборы отношений, которые связывают различные наблюдаемые друг с другом.

Модель Намбу – Йона-Лазинио

В одной из своих недавних работ Кей-Ичи Кондо вывел в качестве низкоэнергетического предела КХД теорию, связанную с Модель Намбу – Йона-Лазинио поскольку это в основном конкретная нелокальная версия Модель Полякова – Намбу – Йона-Лазинио.^[32] Последний из них был в своей локальной версии, но ничего, кроме Модель Намбу – Йона-Лазинио в который включен эффект петли Полякова, чтобы описать «определенное ограничение».

В Модель Намбу – Йона-Лазинио сам по себе, среди прочего, используется, потому что это «относительно простая» модель нарушение киральной симметрии Явление присутствует до определенных условий (киральный предел, т.е. безмассовые фермионы) в самой КХД, однако в этой модели конфайнмента нет. В частности, энергия изолированного кварка в физическом вакууме оказывается хорошо определенной и конечной.

Экспериментальные испытания

Понятие кварка ароматы был вызван необходимостью объяснения свойств адронов в процессе развития кварковая модель. Понятие цвета было вызвано загадкой
Δ⁺⁺
. Об этом говорилось в разделе, посвященном история КХД.

Первые доказательства того, что кварки являются действительными составными элементами адронов, были получены в глубоконеупругое рассеяние эксперименты на SLAC. Были получены первые доказательства глюонов. трехструйные события в ПЕТРА.^{[нужна цитата ]}

Существует несколько хороших количественных тестов пертурбативной КХД:

• В работа муфты QCD как следует из многих наблюдений
• Нарушение масштабирования в поляризованном и неполяризованном глубоконеупругое рассеяние
• Векторный бозон производство на коллайдерах (в том числе Процесс Дрелла-Яна )
• Прямые фотоны рождаются в адронных столкновениях
• Сечения струи в коллайдерах
• Наблюдаемые формы события на LEP
• Производство тяжелых кварков в коллайдерах

Количественных тестов непертурбативной КХД меньше, потому что прогнозы делать труднее. Наилучшим вариантом, вероятно, является работа QCD-связи при проверке через решетка расчеты спектры тяжелых кваркониев. Недавно появилось заявление о массе тяжелого мезона B_c [2]. Остальные непертурбативные тесты сейчас находятся в лучшем случае на уровне 5%. Продолжая работать над массами и форм-факторы адронов и их слабые матричные элементы являются многообещающими кандидатами для будущих количественных тестов. Весь предмет кварковая материя и кварк-глюонная плазма - это непертурбативный испытательный стенд для КХД, который еще предстоит должным образом использовать.^{[нужна цитата ]}

Одно качественное предсказание КХД состоит в том, что существуют составные частицы, состоящие исключительно из глюоны называется глюболы которые еще окончательно не наблюдались экспериментально. Окончательное наблюдение глюбола со свойствами, предсказанными КХД, убедительно подтвердит теорию. В принципе, если бы можно было окончательно исключить глюболы, это стало бы серьезным экспериментальным ударом по КХД. Но по состоянию на 2013 год ученые не могут окончательно подтвердить или опровергнуть существование глюболов, несмотря на то, что у ускорителей частиц достаточно энергии для их генерации.

Связь с физикой конденсированного состояния

Неожиданные перекрестные отношения к физика конденсированного состояния. Например, понятие калибровочная инвариантность лежит в основе известного Mattis спиновые очки,^[33] которые представляют собой системы с обычными спиновыми степенями свободы ${ displaystyle s_ {i} = pm 1 ,}$ за я = 1, ..., N, со специальными фиксированными "случайными" связями ${ displaystyle J_ {i, k} = epsilon _ {i} , J_ {0} , epsilon _ {k} ,.}$ Здесь ε_я и ε_k величины могут независимо и «случайно» принимать значения ± 1, что соответствует простейшему калибровочному преобразованию ${ displaystyle (, s_ {i} к s_ {i} cdot epsilon _ {i} quad , J_ {i, k} to epsilon _ {i} J_ {i, k} epsilon _ {k} , quad s_ {k} to s_ {k} cdot epsilon _ {k} ,) ,.}$ Это означает, что ожидаемые термодинамические значения измеряемых величин, например энергии ${ displaystyle { mathcal {H}}: = - sum s_ {i} , J_ {i, k} , s_ {k} ,,}$ инвариантны.

Однако здесь сцепные степени свободы ${ displaystyle J_ {я, k}}$, которые в КХД соответствуют глюоны, «замораживаются» до фиксированных значений (гашение). Напротив, в КХД они «флуктуируют» (отжиг), и благодаря большому количеству калибровочных степеней свободы энтропия играет важную роль (см. ниже).

Для положительного J₀ термодинамика спинового стекла Маттиса фактически соответствует просто «замаскированному ферромагнетику» только потому, что эти системы не имеютразочарование "вообще. Этот термин - основная мера в теории спинового стекла.^[34] Количественно идентичен петлевому произведению. ${ Displaystyle P_ {W}: , = , J_ {i, k} J_ {k, l} ... J_ {n, m} J_ {m, i}}$ по замкнутому контуру W. Однако для спинового стекла Маттиса - в отличие от «настоящих» спиновых стаканов - количество п_W никогда не становится отрицательным.

Основное понятие «разочарование» спин-стекла на самом деле похоже на Петля Вильсона количество КХД. Единственное отличие состоит в том, что в КХД одна имеет дело с матрицами SU (3), а другая - с «флуктуирующей» величиной. С энергетической точки зрения полное отсутствие фрустрации должно быть неблагоприятным и нетипичным для спинового стекла, что означает, что нужно добавить произведение петли к гамильтониану, используя какой-то термин, обозначающий «наказание». В КХД петля Вильсона существенна для лагранжиана справа.

Связь между КХД и «неупорядоченными магнитными системами» (спиновые стекла принадлежат им) дополнительно подчеркнута в статье Фрадкина, Хубермана и Шенкера:^[35] что также подчеркивает понятие двойственность.

Дальнейшая аналогия состоит в уже упомянутом сходстве с физика полимеров, где аналогично Уилсон Лупс появляются так называемые «запутанные сети», которые важны для формирования энтропийно-эластичность (сила пропорциональна длине) резинки. Неабелев характер SU (3) соответствует, таким образом, нетривиальным «химическим связям», которые склеивают различные сегменты петли вместе, и «асимптотическая свобода "означает в аналогии с полимером просто тот факт, что в коротковолновом пределе, то есть для ${ displaystyle 0 leftarrow lambda _ {w} ll R_ {c}}$ (куда р_c - характерная корреляционная длина для склеенных петель, соответствующая упомянутому выше «радиусу мешка», а λ_ш - длина волны возбуждения) любая нетривиальная корреляция полностью исчезает, как если бы система кристаллизовалась.^[36]

Существует также соответствие между конфайнментом в КХД - тем фактом, что цветовое поле отлично от нуля только внутри адронов - и поведением обычного магнитного поля в теории сверхпроводники второго типа: там магнетизм ограничен внутренней частью Решетка силовых линий Абрикосова,^[37] т.е. лондонская глубина проникновения λ этой теории аналогичен радиусу удержания р_c квантовой хромодинамики. Математически это соответствие подтверждается вторым членом ${ displaystyle propto gG _ { mu} ^ {a} { bar { psi}} _ {i} gamma ^ { mu} T_ {ij} ^ {a} psi _ {j} ,, }$ на прав. лагранжиана.

Смотрите также

• Для обзоров см. Стандартная модель, это теоретико-полевая формулировка, сильные взаимодействия, кварки и глюоны, адроны, заключение, Вопрос КХД, или же кварк-глюонная плазма.
• Подробнее см. калибровочная теория, процедура квантования включая BRST квантование и Призраки Фаддеева – Попова. Более общая категория - это квантовая теория поля.
• О методах см. Решетка КХД, 1 / N расширение, пертурбативная КХД, Мягко-коллинеарная эффективная теория, эффективная теория тяжелых кварков, хиральные модели, а Намбу и модель Йона-Лазинио.
• По поводу экспериментов см. эксперименты по поиску кварков, глубоконеупругое рассеяние, реактивная физика, кварк-глюонная плазма.
• Квантовая электродинамика
• Симметрия в квантовой механике
• Теория Янга – Миллса

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Грейнер, Уолтер; Шрамм, Стефан; Штейн, Эккарт (2007). Квантовая хромодинамика. Берлин Гейдельберг: Springer. ISBN  978-3-540-48535-3.
• Хальзен, Фрэнсис; Мартин, Алан (1984). Кварки и лептоны: вводный курс современной физики элементарных частиц. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-88741-6.
• Кройц, Майкл (1985). Кварки, глюоны и решетки. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-31535-7.

внешняя ссылка

• Франк Вильчек (2000). «КХД стало проще» (PDF). Физика сегодня. 53 (8): 22–28. Bibcode:2000ФТ .... 53ч..22Вт. Дои:10.1063/1.1310117.
• Группа данных о частицах
• Приз тысячелетия за доказывание заключения
• Ab Initio Определение масс легких адронов
• Андреас С. Кронфельд Вес мира - это квантовая хромодинамика
• Андреас С. Кронфельд Квантовая хромодинамика с передовыми вычислениями
• Стандартная модель дает правильный ответ
• Квантовая хромодинамика