Quantumchromodynamica fysica

Quantumchromodynamica (QCD), in de natuurkunde, de theorie die de werking van de sterke kracht beschrijft. QCD is geconstrueerd naar analogie van de kwantumelektrodynamica (QED), de kwantumveldentheorie van de elektromagnetische kracht. In QED worden de elektromagnetische interacties van geladen deeltjes beschreven door de emissie en daaropvolgende absorptie van massaloze fotonen, beter bekend als de "deeltjes" van licht; dergelijke interacties zijn niet mogelijk tussen ongeladen, elektrisch neutrale deeltjes. Het foton wordt in QED beschreven als het 'krachtdrager'-deeltje dat de elektromagnetische kracht medieert of doorgeeft. Analoog aan QED voorspelt kwantumchromodynamica het bestaan ​​van krachtdragende deeltjes, gluonen genaamd, die de sterke kracht overbrengen tussen materiedeeltjes die 'kleur' ​​dragen, een vorm van sterke 'lading'. De sterke kracht beperkt zich daarom tot het gedrag van elementaire subatomaire deeltjes die quarks worden genoemd en van uit quarks opgebouwde composietdeeltjes - zoals de bekende protonen en neutronen waaruit atoomkernen bestaan, evenals meer exotische onstabiele deeltjes die mesonen worden genoemd.

subatomair deeltje: Quantumchromodynamica: Beschrijft de sterke kracht

Al in 1920, toen Ernest Rutherford het proton een naam gaf en het als een fundamenteel deeltje accepteerde, was het duidelijk dat de elektromagnetische

In 1973 werd het concept van kleur als bron van een "sterk veld" ontwikkeld door de Europese natuurkundigen Harald Fritzsch en Heinrich Leutwyler, samen met de Amerikaanse natuurkundige Murray Gell-Mann, tot de theorie van het QCD. Ze gebruikten met name de algemene veldtheorie die in de jaren vijftig was ontwikkeld door Chen Ning Yang en Robert Mills, waarbij de dragerdeeltjes van een kracht zelf verdere dragerdeeltjes kunnen uitstralen. (Dit verschilt van QED, waar de fotonen die de elektromagnetische kracht dragen geen verdere fotonen uitstralen.)

In QED is er maar één type elektrische lading, die positief of negatief kan zijn - in feite komt dit overeen met lading en anticharge. Om het gedrag van quarks in QCD te verklaren, moeten er daarentegen drie verschillende soorten kleurlading zijn, die elk als kleur of antikleur kunnen voorkomen. De drie soorten lading worden naar analogie van de primaire lichtkleuren rood, groen en blauw genoemd, hoewel er geen enkele verbinding is met kleur in de gebruikelijke zin.

Kleurneutrale deeltjes komen op twee manieren voor. In baryons - subatomaire deeltjes die zijn opgebouwd uit drie quarks, zoals bijvoorbeeld protonen en neutronen - hebben de drie quarks elk een andere kleur en een mengsel van de drie kleuren levert een neutraal deeltje op. Mesonen, aan de andere kant, zijn opgebouwd uit paren van quarks en antiquarks, hun antimaterie-tegenhangers, en daarin neutraliseert de antikleur van het antiquark de kleur van de quark, net zoals positieve en negatieve elektrische ladingen elkaar opheffen om een ​​elektrisch neutraal te produceren voorwerp.

Quarks reageren via de sterke kracht door deeltjes uit te wisselen die gluonen worden genoemd. In tegenstelling tot QED, waar de uitgewisselde fotonen elektrisch neutraal zijn, dragen de gluonen van QCD ook kleurladingen. Om alle mogelijke interacties tussen de drie kleuren van quarks mogelijk te maken, moeten er acht gluonen zijn, die elk over het algemeen een mengsel van een kleur en een andere kleur bevatten.

Omdat gluonen kleur dragen, kunnen ze onderling interageren, en dit maakt het gedrag van de sterke kracht subtiel anders dan de elektromagnetische kracht. QED beschrijft een kracht die zich over oneindige reikwijdten kan uitstrekken, hoewel de kracht zwakker wordt naarmate de afstand tussen twee ladingen toeneemt (gehoorzamen aan een omgekeerde kwadratenwet). In QCD voorkomen de interacties tussen gluonen die worden uitgezonden door kleurladingen dat deze ladingen uit elkaar worden getrokken. Als er daarentegen voldoende energie in wordt gestoken om bijvoorbeeld een quark uit een proton te slaan, is het resultaat een quark-antiquark-paar - met andere woorden een meson. Dit aspect van QCD belichaamt de waargenomen korte afstand aard van de sterke kracht, die is beperkt tot een afstand van ongeveer 10 ^-15 meter korter dan de diameter van een atoomkern. Het verklaart ook de schijnbare opsluiting van quarks - dat wil zeggen dat ze alleen zijn waargenomen in gebonden samengestelde toestanden in baryons (zoals protonen en neutronen) en mesonen.