כרומודינמיקה קוונטית

כרומודינמיקה קוונטית (QCD) היא תורת שדות קוונטית שמסבירה את הכוח הגרעיני החזק. החלקיקים הבסיסיים בתיאוריה הם קווארקים, אנטי-קווארקים וגלואונים. המילה "כרומה" ביוונית פירושה צבע, ולכן לתכונה במודל קוראים "צבע" (זו לא משמעות של צבע רגיל).

הגלואון הוא נושא הכוח החזק, בדומה לפוטון שנושא את הכוח האלקטרומגנטי. לשוני משמעותי ב-QCD הוא שהגלואונים נושאים בעצמם "צבע", ולכן הם יכולים לפלוט ולבלוע גלואונים אחרים. בקווארקים יש שלושה סוגי צבע: כחול, אדום וירוק, ולכל צבע יש אנטי-צבע תואם.

צירוף של כל שלושת הצבעים יחד אינו טעון מבחינה כרומואלקטרית (כמו צבע לבן). לכן חלקיקים שמורכבים מצירוף צבעים שניטרלים זה לזה יכולים להופיע לבדם בטבע. לעומת זאת, קווארקים בודדים לא מופיעים לבדם.

כאשר קווארקים מופרדים, ביניהם נוצר "מיתר" של גלואונים שמתחזק עם המרחק. לכן הכוח לא נחלש כשהם מתרחקים. כשאנרגיה במיתר גדולה מספיק, היא יכולה ליצור זוג קווארק, אנטי-קווארק חדש. לכן במקום שקווארק ילך לבדו, נוצרות קבוצות חסרות צבע. תופעה זו נקראית כליאה (confinement).

דוגמה מעשית היא במאיצי חלקיקים: פגיעה בקווארק יכולה לתת לו אנרגיה גבוהה. במקום לראות קווארק בודד, מתקבלים כמה מזונים היוצאים כ"סילון אדרונים" (Hadron jet).

באנרגיות גבוהות מאוד קבוע הצימוד של QCD קטן. זה אומר שקווארקים מתקרבים להתנהגות כמעט חופשית כשהאנרגיה עולה. תופעה זו נקראת חופש אסימפטוטי. באנרגיות נמוכות מאוד קבוע הצימוד גדל עד שהוא מתקרב לאינסוף; סקלת האנרגיה הזו נקראת Λ_QCD והיא בערך 200 MeV. סקלת מתיחת המיתר, שנקראת σ_QCD, סביב 440 MeV.

כשהאנרגיה גדולה, אפשר לחשב באמצעות תיאור הפרעות (perturbation theory), כי קבוע הצימוד קטן. בדוגמא מעשית, באנרגיה בסדר גודל של 90 GeV (קטן יחסית לאנרגיות של מאיצים מודרניים), הערך של קבוע הצימוד הוא כ-0.12.

QCD היא תורת כיול שהקבוצה המתמטית של הכיול שלה היא SU(3). זה מתאר את חמשת הצבעים והאינטראקציות האפשריות בין חלקיקים.

בחישובים אנרגטיים גבוהים משתמשים בתורת ההפרעות. באנרגיות נמוכות משתמשים בכרומודינמיקה קוונטית על סריג (lattice QCD). בפעולה זו מחלקים את המרחב והזמן לרשת של קוביות, ומבצעים חישובים נומריים, למשל בשיטת מונטה-קרלו. רעיונות מתורת המיתרים נבדקים גם כדי להבין מיתרים מקשרים בין קווארקים, אך פתרונות מלאים עדיין נדירים מחוץ לתורות סימטריות מסוימות.

כרומודינמיקה קוונטית היא הסבר מדעי לכוח החזק שבתוך גרעין האטום. הכוח הזה מחבר פרוטונים ונייטרונים.

החלקיקים הקטנים שמרכיבים את הפרוטון נקראים קווארקים. קווארק יכול להיות בצבעים דמיוניים: כחול, אדום או ירוק. יש גם אנטי-קווארקים עם אנטי-צבע. גלואון הוא החלקיק שמעביר את הכוח. גלואון הוא נושא הכוח, כמו שפוטון מעביר אור.

כאשר קווארקים מופרדים, ביניהם נוצר "מיתר" של גלואונים. המיתר מתוח ומושך חזרה. אם מושכים חזק, מתווספים קווארק ואנטי-קווארק חדשים במקום. לכן לעולם לא רואים קווארק לבד בטבע. זה נקרא כליאה.

במאיצים נוצרות לעתים קרובות זרמי חלקיקים שנקראים סילוני אדרונים. אלה נוצרים כי במקום קווארק בודד, נולדים כמה מזונים שיוצאים בקבוצה.

אם נותנים לקווארקים אנרגיה מאוד גבוהה, הם מתקרבים זה אל זה ולעיתים מתנהגים כאילו הם חופשיים. זהו חופש אסימפטוטי.

מחשבים תופעות אלה בשתי דרכים עיקריות: בחשבונות מתמטיים כשהאנרגיה גבוהה, ובשיטת סריג כשהאנרגיה נמוכה. בסריג מחלקים את המרחב לקוביות ומריצים חישובים על מחשב.