Chromodynamika kwantowa (QCD)w fizyce teoria opisująca działanie silnej siły. QCD skonstruowano analogicznie do elektrodynamiki kwantowej (QED), kwantowej teorii pola siły elektromagnetycznej. W QED oddziaływania elektromagnetyczne naładowanych cząstek opisano poprzez emisję i późniejszą absorpcję fotonów bez masy, najlepiej znanymi jako „cząstki” światła; takie interakcje nie są możliwe między nienaładowanymi elektrycznie neutralnymi cząsteczkami. Foton jest opisany w QED jako cząstka „nośnika siły”, która pośredniczy lub przenosi siłę elektromagnetyczną. Analogicznie do QED, chromodynamika kwantowa przewiduje istnienie cząstek nośnika siły zwanych gluonami, które przenoszą silną siłę między cząsteczkami materii, które niosą „kolor”, formę silnego „ładunku”. Silna siła jest zatem ograniczona w swoim działaniu do zachowania elementarnych cząstek subatomowych zwanych kwarkami oraz cząstek złożonych zbudowanych z kwarków - takich jak znane protony i neutrony, które tworzą jądra atomowe, a także bardziej egzotyczne niestabilne cząstki zwane mezonami.
cząsteczka subatomowa: chromodynamika kwantowa: opisywanie dużej siły
Już w 1920 roku, kiedy Ernest Rutherford nazwał proton i zaakceptował go jako cząstkę fundamentalną, było jasne, że elektromagnetyczny
W 1973 r. Koncepcja koloru jako źródła „silnego pola” została rozwinięta w teorię QCD przez europejskich fizyków Haralda Fritzscha i Heinricha Leutwylera wraz z amerykańskim fizykiem Murrayem Gell-Mannem. W szczególności zastosowali ogólną teorię pola opracowaną w latach 50. XX wieku przez Chen Ning Yang i Roberta Millsa, w której cząstki nośnika siły mogą same promieniować dalsze cząstki nośnika. (Różni się to od QED, gdzie fotony przenoszące siłę elektromagnetyczną nie emitują dalszych fotonów.)
W QED istnieje tylko jeden rodzaj ładunku elektrycznego, który może być dodatni lub ujemny - w efekcie odpowiada to ładowaniu i ładowaniu przeciwnemu. Dla kontrastu, aby wyjaśnić zachowanie kwarków w QCD, muszą istnieć trzy różne rodzaje ładunku kolorowego, z których każdy może występować jako kolor lub kolor. Trzy rodzaje ładunków nazywane są czerwonym, zielonym i niebieskim analogicznie do podstawowych kolorów światła, chociaż nie ma żadnego związku z kolorem w zwykłym znaczeniu.
Cząstki neutralne kolorowo występują na dwa sposoby. W barionach - cząstkach subatomowych zbudowanych z trzech kwarków, takich jak na przykład protony i neutrony - każdy z trzech kwarków ma inny kolor, a mieszanina trzech kolorów daje cząsteczkę neutralną. Z drugiej strony mezony zbudowane są z par kwarków i antykwarków, ich odpowiedników antymaterii, i w tych kolorach antykwark neutralizuje kolor kwarka, podobnie jak dodatnie i ujemne ładunki elektryczne znoszą się nawzajem, wytwarzając elektrycznie neutralny obiekt.
Kwarki oddziałują poprzez silną siłę, wymieniając cząstki zwane gluonami. W przeciwieństwie do QED, gdzie wymieniane fotony są elektrycznie obojętne, gluony QCD przenoszą także ładunki barwne. Aby umożliwić wszystkie możliwe interakcje między trzema kolorami kwarków, musi istnieć osiem gluonów, z których każdy na ogół niesie mieszankę koloru i innego rodzaju barwnika.
Ponieważ gluony niosą kolor, mogą one oddziaływać między sobą, co powoduje, że zachowanie silnej siły nieznacznie różni się od siły elektromagnetycznej. QED opisuje siłę, która może rozciągać się na nieskończone obszary przestrzeni, chociaż siła staje się słabsza wraz ze wzrostem odległości między dwoma ładunkami (przestrzeganie odwrotnego prawa kwadratowego). Jednak w QCD interakcje między gluonami emitowanymi przez ładunki kolorów zapobiegają rozerwaniu tych ładunków. Zamiast tego, jeśli na przykład zainwestuje się wystarczającą energię w próbę wybicia kwarka z protonu, wynikiem jest stworzenie pary kwark-antykwark - innymi słowy, mezon. Ten aspekt QCD reprezentuje obserwowany krótkiego zasięgu charakter dużą siłą, która jest ograniczona do odległości około 10 -15 m, krótszy niż średnica jądra atomowego. Wyjaśnia także pozorne zamknięcie kwarków - to znaczy, że zaobserwowano je tylko w związanych stanach złożonych w barionach (takich jak protony i neutrony) i mezonach.
