کرمودینامیک کوانتومی (QCD)

نظریه‌ای که در مدل استاندارد توصیف کننده برهمکنش قوی است، کرمودینامیک کوانتومی یا به اختصار QCD است. اگر چه کرمودینامیک کوانتومی به وسعت و دقت الکترودینامیک کوانتومی (نظریه کوانتومی برهمکنش الکترومغناطیسی) مورد تایید تجربی قرار نگرفته است، اما با حجم وسیعی از داده‌های تجربی در توافق چشمگیر می‌باشد.

کیو سی دی، همانند کیوای دی توصیف کننده برهمکنشی است که از طریق تبادل بوزون‌هایی با اسپین ۱ ایجاد میشود.

این بوزون‌های واسط که درمورد کیوای دی فوتون‌ها هستند، درمورد کیو سی دی، گلوئون نامیده می‌شوند.
هر دوی این نظریه‌ها از نوعی هستند که نظریه پیمانه‌ای نامیده‌ می‌شود.
نظریه پیمانه‌ای مبتنی بر وجود یک تقارن بنیادی به صورت موضعی هستند. علی‌رغم شباهت بنیادی این دو نظریه، تفاوت های مهمی بین آنها وجود دارد که در اینجا به شرح آن‌ها میپردازیم.

گلوئون ها که حامل های برهمکنش قوی می‌باشند، شبیه فوتون ها دارای بار الکتریکی صفر هستند، اما بر خلاف فوتون ها که با بار الکتریکی جفت شدگی دارند، گلوئون ها با بار رنگی جفتیده هستند. این امر بلافاصله به مستقل بودن برهم‌کنش قوی طعم می‌انجامد.

به عبارت دیگر، طعم های مختلق کوارکی دارای برهمکنش قوی یکسان هستند. اکنون میبینیم که دلیل این امر آن است که طعم های کوارکی متفاوت، هرکدام میتوانند دارای سه رنگ باشند که بار یکسانی با سایر طعم ها دارند. استقلال برهمکنش قوی از طعم، آشکارترین پی آمد خود را درمورد کوارک‌های u و d نشان می‌دهد که دارای جرم تقریبا یکسانی هستند.

این امر منجر به تقارن ایزواسپینی می شود. از جمله پی آمد‌های این مساله، تساوی تقریبی جرم پروتون و نوترون و حالت هایی با بار متفاوت چندگانه مثل پایون و کائون است. حالت رنگی دو کوارک تعویض می‌شود و گلوئون مبادله شده خود دارای بار رنگی است که مجموعا اصل پایستگی بار رنگی را اعمال میکنند.

همچنان کوارک ها میتوانند در سه حالت رنگی پدیدار باشند، گلوئون ها نیز میتوانند در هشت حالت رنگی وجود داشته باشند، اگر چه ما در اینجا نیازی به پراختن به جزییات این امر نداریم اولین چیزی که از بار رنگی غیر صفر گلوئون ها نتیجه می شود، این است که آنها نیز همانند کوارک های منفرد به صورت آزاد مشاهده نمی‌شوند و محصور میباشند.

نکته دوم آن است که به علت جفت شدگی گلوئون ها با ذراتی که دارای بدر رنگی هستند و از آنجا که گلوئون ها خود دارای بار رنگی هستند، گلوئون ها با گلوثونها نیز برهمکنش خواهند داشت. در نوع خود جفت شدگی گلوئون‌ها که معرف پایین ترین مرتبه در پراکندگی گلوئون - گلوئون می باشند.

اولین نمونه، فرآیند تبادل تک گلونونی است که شبیه به تبادل گلوئون در پراگندگی کوارک۔ کوارک است، نمودار دوم نیز مربوط به برهمکش نقطه ای (برد صفر است. اگر نیروهای ناشی از این دو برهمکنش جاذب و به اندازه کافی قوی باشند.

على الأصول میتوانند موجب پیدایش حالت های مقید دو گلوئونی یا بیشتر شوند. این یک حالت جدید و عجیب است که اصطلاحا گلوبال (توپ گلوئونی) نامیده می شود اگر چه برخی از آزمایشات ادعای مشاهده گلوبال ها را مطرح کرده اند. اما وجود خارجی این حالت هنوز مورد تردید است.

برهمکنش گلوئون۔ گلوئون. مشابهی در کیوای دی ندارد (فوتون ها با فوتونها مستقیما برهمکنش ندارند). این امر موجب تفاوت های اساسی بین خواص برهمکنشهای فوق با برهمکنش الکترومغناطیسی می گردد. این ویژگی ها شامل محصورشدگی رنگ و آزادی مجانبی میباشد.

مقصود از آزادی مجانبی آن است که برهمکش قوی در فاصه های کوتاه ضعیف تر میشود و برعکس، هر چه فاصله بین کوارک‌ها بیشتر باشد، برهمکنش قوی بین آنها قوی تر می شود. در این محدوده از برهمکنش قوی (فواصل زیاد).

نظریه بسیار پیچیده می شود و هنوز انجام محاسبات در نظریه به طور دقیق انجام نشده است به همین دلیل مجبوریم به نتایج محاسبات عددی اکتفا کنیم. این شیوه محاسبه، نظریه پیمانه ای در شبکه (Lattice gauge theory) نامیده میشود.

در این نوع شبیه سازی، محاسبات بر روی نقاط منفصل در یک شبکه سه بعدی انجام می شود. با کوچک کردن فاصله نقاط شبکه، این امیدواری وجود دارد که رفتار نظریه پیوسته با دقت مناسبی به دست آید.

این نوع محاسبات نیاز به کامپیوترهای بزرگ و پرسرعت دارند و به دست آوردن نتایح دقیق با توجه به تقریب هایی که به کار می رود، دشوار است. با این همه، در حال حاضر، بررسی پدیده محصورشدگی عمدتا متکی بر چنین محاسباتی است.

منبع : کتاب ذرات بنیادی مارتین

🆔 @physics3p