|
== Основи ==
Квантова хромодинаміка описує взаємодію частинок, що мають кольоровий заряд, тобто кварків, антикварків і глюонів. Кожній частинці можна приписати деякий вектор q<sub>i</sub> у просторі кольорів. Вектори всіх частинок мають однакову довжину. Кварки мають колір, а точніше, є [[Принцип суперпозиції (квантова механіка)|суперпозицією]] станів з трьома кольорами (відповідно, антикварки мають антиколір). Таким чином, стан кварка можна описати трьохкомпонентнимтрикомпонентним [[спінор]]ом. Перехід від одного стану до іншого описується як множення на матрицю 3×3, якому відповідає поворот у просторі кольорів. Існує 8 лінійно-незалежних [[Ермітова матриця|ермітових матриць]] 3×3 з [[визначник]]ом 1 (їх називають [[матриці Гелл-Манна]]), яким відповідає 8 [[глюон]]ів. Такм чином, кожен глюон несе у собі колір і антиколір (або ж є суперпозицією кількох пар кольорів-антикольорів). Таким чином, наприклад, червоний кварк може випустити червонийчервоно-антизелений глюон, і сам стати зеленим. Цей глюон, ву свою чергу, може бути поглиненимпоглинутися зеленим кварком, щоякий перетвориться на червоний.
При цьому, оскількиОскільки глюони мають кольоровий заряд, вони можуть випускати інші глюони, або розсіюватись на глюонах, тому на [[Діаграма Фейнмана|фейнманівських діаграмах]], що описують міжкваркову взаємодію, можуть існувати трьохглюоннітриглюонні або чотирьохглюоннічотириглюонні вершини.<ref name="arxiv">[https://arxiv.org/pdf/hep-ph/0204179.pdf A QCD PRIMER]{{ref-en}}</ref>
Симетрія [[SU(3)]], що описує цю теорію, є точною, тобто, два кваркакварки, щоякі відрізняються лише кольором, є тотожними по відношенню додля будь-яких інших видів взаємодії, окрім сильної. <ref name="ufn_gluons">[https://ufn.ru/ufn80/ufn80_11/Russian/r8011b.pdf глюоны]{{ref-ru}}</ref> Саме вимога про однозначну симетрію повністю задає структуру взаємодії кварків і глюонів. Також, зіз неї випливає, що глюони не беруть участі в електромагнітній або [[Слабка взаємодія|слабкій взаємодії]].
Також, КХД має наближену ''ароматну симетрію'', через те, що сильна взаємодія є однаковою, для різних ароматів кварків. Проте ця симетрія порушується через різнінеоднакові маси кварків різних ароматів.
=== Асимптотична свобода ===
Важливою особливістю міжкваркових сил є ослаблення їх при зменшенні відстані між кварками. Це пов’язано з впливом [[поляризація вакууму|поляризації фізичного вакууму]] на кварк. Подібно до того, як будь-яка заряджена частинка оточена парами [[Віртуальна частинка|віртуальних]] електрон-позитронних пар, що, під дією її електричного поля [[Поляризація діелектриків|поляризуються]], через що вакуум починає екранувати електричний заряд, будь-який кварк оточений віртуальними кварк-антикварковими парами, а також хмарою віртуальних глюонів. Такий кварк називається ''вдягненим'' (кварк без віртуальних частинок навколо нього називається ''голим'', і не існує в природі). Кварк-антикваркові пари екранують кольоровий заряд, подібно тому як електрон-позитронні екранують електричний, проте, значно більший ефект мають віртуальні глюони. Оскільки глюони самі мають кольоровий заряд, вони породжують нові глюони і кварк-антикваркові пари, а ті — нові й нові.<ref name="ufn_gluons"/> "Шуба" з віртуальних глюонів і кварків призводить до протилежного ефекту — ефективний кольоровий заряд збільшується при віддаленні від кварку, і навпаки, при наближенні кварків, сили, що діють між ними, прямують до нуля.
З іншого боку, всередині [[адрон]]у, відстані між кварками дуже малі, тому вони поводять себе як [[Вільна частинка|вільні частинки]]. При зіткненні з іншою частинкою, якщо налітаюча частинка буде мати достатньо великий імпульс, <ref>[http://femto.com.ua/articles/part_1/0196.html асимптотическая свобода]{{ref-ru}}</ref> через те, що швидкість розповсюдження взаємодії є скінченною (і дорівнює [[Швидкість світла|швидкості світла]]), кварк встигне віддалитися на достатньо велику відстань, перш ніж з'являться сили, що притягують його до інших кварків.
Ці ефекти проявляються при глибоконепружних зіткненнях частинок, квадрат передачі [[4-імпульс]]ів при яких значно більшібільший за [[маса спокою|масу спокою]] протонів.<ref>[http://femto.com.ua/articles/part_1/0814.html глубоко неупругие процессы]{{ref-ru}}</ref> [[Константа зв'язку|Константа взаємодії]] для них, ву першому наближенні, залежить від імпульсу наступним чином:
:<math>\frac{6\pi}{(33-2n_f)ln(p/p_0)}</math>
де n<sub>f</sub> — кількість ароматів кварків (наразі 6), а p<sub>0</sub> — параметр КХД, що дорівнює кілька сотень [[Електрон-вольт|МеВ]].
Зі схожим принципом пов’язане явище конфайнменту: потенціал взаємодії між двома кварками має компоненту, обернено пропорційну відстані між ними, і компоненту, пропорційну цій відстані. Таким чином, для рознесення кварків на [[нескінченність|нескінченну]] відстань потрібно витратити нескінченну енергію. Проте, оскільки, на великих відстанях константа взаємодії кварків стає близькою до одиниці, [[теорія збурень]] не може бути застосованою, а тому математично, проблема невильоту кварків з адрону ще не вирішена до кінця.<ref>[http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/col.htm Что такое цветовой заряд, или какие силы связывают кварки]{{ref-ru}}</ref>
Конфайнмент також називають утриманням кольору. Це означає, що всі частинки, які ми можемо безпосередньо спостерігати, не мають кольору, тобто, є [[синглетний стан|синглетами]] в кольоровому просторі (інакше кажучи, вони мають «білий» колір). Для більшості частинок це означає, що вони або складаються або з трьох кварків різного кольору, що,які змішуючись, дають відсутність заряду ("білий" колір) — такі частинки називають [[баріони|баріонами]], або з кварка ій антикварка, що мають колір і протилежний йому антиколір, і, таким чином, компенсують один одного — таку будову мають [[мезони]]. Існують і більш екзотичні частинки, такі як [[тетракварк]]и, що складаються з двох кварків і двох антикварків, і [[пентакварк]]и, що складаються з чотирьох кварків і одного антикварку. Для них також виконується принцип безколірності.
Конфайнмент пояснює, чому [[ядерні сили]] мають такий маленький радіус дії, хоча маса глюона дорівнює нулю (а отже, як і електромагнітна взаємодія, сильна мала б бути далекодійною, як і електромагнітна взаємодія): нуклони є кольоровими синглетами, і взаємодіяти на великих відстанях можутьвзаємодіяти тежможуть лише за допомогою кольорових синглетів (бо вільний глюон також мав би колір, а тому не може існувати). Найлегшим зсеред таких синглетів є частинка, що складається з найлегшого кварку і його антикварку — [[Піони|піон]], а тому радіус ядерної взаємодії визначається часом його часоміснування життя,(~10<sup>−17</sup> с) і дорівнюєстановить близько 10<sup>-13</sup> метра сантиметра.
=== Струмені ===
При спробі роз'єднати два кварки, енергія взаємодії між ними стає все більшою і більшою, аж допоки стає енергетично вигідним утворення нової кварк-антикваркової пари не стає енергетично вигідним. По одному кварку (з утвореної пари) відходить до кожного з двох початкових кварків (цей процес зовнішньо схожий на розділення [[магніт]]у, при якому на місці розлому утворюються нові полюси). Таким чином, кольорова нейтральність частинок зберігається. Утворені кварки починають рухатися в тих же напрямках, що і початкові. При достатньо великій енергії, цей процес може повторюватися, при цьому напрямки руху частинок майже не змінюються. Таким чином виникають {{не перекладено|Струмінь (фізика елементарних частинок)|адронні струмені||Jet (particle physics)}} — велика кількість різноманітних адронів, що летять у двох протилежних напрямках з дуже маленьким кутом розходження. Струмені є найкращим доведенням кваркової структури адронів — якби кварків не існувало, струмені б не утворювалися.
При достатньо високоенергетичних зіткненнях кварк може, змінивши напрям свого руху, випустити гальмівний глюон (подібно до [[гальмівне випромінювання|гальмівного випромінювання]] електронів в атомах), що також розпадається ій утворює {{не перекладено|Потрійний струмінь (фізика елементарних частинок)|третій струмінь||Three-jet event}}. В 1% випадків випускаєтьсявипромінюється одразу два глюонаглюони, що породжує чотириструменевічотири зіткненняструмені.<ref>[http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/a50.htm Адронные струи]{{ref-ru}}</ref>
=== Будова адронів ===
Хоча вище вказаносказано, що баріони складаються з трьох кварків, а мезони — з двох, насправді їх будова є складнішою. Основу адрона дійсносправді складають два або три кваркакварки, щоякі називаються ''валентними''<ref>[http://nuclphys.sinp.msu.ru/histan/histan14.htm Структура нуклона]{{ref-ru}}</ref>. Ці кварки постійно випускають глюони, що,які розпадаючись, породжують кварк-антикваркові пари. Ці вторинні кварки (вониїх такожназивають називаютьсятакож ''морськими'') і глюони створюють хмару навколо валентних кварків, яка ій містить у собі більшу частину маси частинки. При цьому, уУ нерухомому адроні хмара складається практично лишез зодних глюонів, тоді як для ультрарелятивістських частинок, морські кварки стають більш помітними. Таким чином, кварковий склад адрону не є сталим і залежить від його швидкості.<ref>[http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431034/Mnogolikiy_proton Многоликий протон]{{ref-ru}}</ref>
=== Лагранжіан у КХД ===
Існує два основних методи розв’язання рівнянь КХД. Для процесів з високими енергіями, константа взаємодії є малою, а тому зручними є інструменти [[Теорія збурень|теорії збурень]]. За допомогою цієї теорії було виведене важливе рівняння, що описує еволюцію партонних густин при жорстких зіткненнях — рівняння Докшицера – Грибова – Липатова – Альтарелли – Паризи ({{не перекладено|рівняння ДГЛАП|||DGLAP}}).
У низькоенергетичних процесах, до яких відноситься іналежить утворення адронів, константа взаємодії стає близькою до одиниці, а тому методи теорії збурень перестають працювати. ВУ цьому випадку використовуєтьсязастосовують [[Квантова хромодинаміка на ґратці|КХД на ґратці]]<ref name="elem1">[http://elementy.ru/novosti_nauki/430433/Nastupaet_novaya_era_v_teoreticheskoy_yadernoy_fizike Наступает новая эра в теоретической ядерной физике]{{ref-ru}}</ref>. Для цього будуєтьсябудують чотиривимірначотиривимірну ґраткаґратку в просторі-часі, на кожному вузлі якої зашляхом допомогою комп’ютера,інтегрування обчислюютьсяобчислюють значення глюонних і кваркових полів — тобто, рівняння вирішуютьсярозв'язують [[Методи розв'язання нелінійних рівнянь|чисельно, а не аналітично]]. ЦейДля отримання реалістичних наближень ґратка має бути досить дрібною (типові ґратки для ділянок розміром кілька [[фемто-|фемто]]метрів мають 32<sup>4</sup> вузли), тож розрахунки доводиться робити за допомогою комп’ютера. методМетод потребує великихвеликої обчислювальнихобчислювальної потужностейпотужності, тому, наприклад, взаємодіючівзаємодію нуклонидвох були обрахованінуклонів таким чином обрахували лише у 2007 році.<ref name="elem1"/>
== Примітки ==
|
