Цветовой заряд

редактировать

Цветовой заряд - это свойство кварков и глюонов, которое связано сильным взаимодействиям частиц в теории квантовой хромодинамики (КХД).

«Цветовой заряд» кварков и глюонов совершенно не связан с повседневным значением цвета. Термин «цвет» и обозначения красного, зеленого и синего стали популярными просто из-за слабой аналогии с основными цветами. Ричард Фейнман назвал своих коллег «идиотами-физиками» за выбор сбивающего с толку названия.

У частиц есть соответствующие античастицы. Частица с красным, зеленым или синим зарядом имеет соответствующую античастицу, в которой цветной заряд должен быть антицветом красного, зеленого и синего соответственно, чтобы цветной заряд сохранялся в частице-античастице. создание и уничтожение. Физики элементарных частиц называют их антикрасным, антизеленым и антисиним. Все три цвета, смешанные вместе, или любой из этих цветов и его дополнение (или негатив), являются «бесцветными» или «белыми» и имеют нулевой чистый цветовой заряд. Из-за свойства сильного взаимодействия, называемого удержание цвета, свободные частицы должны иметь нулевой цветовой заряд: барион состоит из трех кварков, которые должны быть по одному красного, зеленого и синего цветов; аналогично антибарион состоит из трех антикварков, по одному на антикрасный, антизеленый и антисиний. мезон состоит из одного кварка и одного антикварка; кварк может быть любого цвета, и антикварк имеет соответствующий антицвет. Этот цветной заряд отличается от электрического заряда тем, что электрический заряд имеет только одну ценность. Однако цветной заряд также похож на электрический заряд в том, что цветной заряд также имеет отрицательный заряд, соответствующий каждому виду значения.

Вскоре после того, как в 1964 году было впервые предложено существование кварков, Оскар В. Гринберг ввел понятие цветового заряда, чтобы объяснить, как кварки могут сосуществовать внутри некоторых адронов в в остальном идентичные квантовые состояния без нарушения принципа исключения Паули. Теория квантовой хромодинамики разрабатывалась с 1970-х годов и составляет важный компонент Стандартной модели физики элементарных частиц.

Содержание

1 Красный, зеленый и синий
- 1.1 Поле линии от цветных зарядов
2 Константа связи и заряд
3 Кварковые и глюонные поля и цветные заряды
4 См. также
5 Ссылки
6 Дополнительная литература

Красный, зеленый и синий

В квантовой хромодинамике (КХД) цвет кварка может принимать одно из трех значений или зарядов: красный, зеленый и синий. Антикварк может иметь один из трех антицветов: анти-красный, анти-зеленый и анти-синий (представленные как голубой, пурпурный и желтый соответственно). Глюоны представляют собой смесь двух цветов, например красного и антизеленого, что составляет их цветовой заряд. КХД считает уникальными восемь глюонов из девяти возможных комбинаций цвет – антицвет; см. восемь глюонных цветов для объяснения.

Ниже показаны константы взаимодействия для заряженных по цвету частиц:

Цвета кварков (красный, зеленый, синий) в сочетании друг с другом становятся бесцветными
Антицветы кварков (анти-красный, анти-зеленый, анти-синий) также объединяются, чтобы быть бесцветным

Адрон с 3 кварками (красный, зеленый, синий) до изменения цвета
Синий кварк испускает сине-антизеленый глюон
Зеленый кварк поглотил сине-антизеленый глюон и теперь синий; цвет остается неизменным
Анимация взаимодействия внутри нейтрона. Глюоны представлены в виде кружков с цветным зарядом в центре и антицветным зарядом снаружи.

Силовые линии цветных зарядов

Аналогично электрическому полю и электрическим зарядам, сильная сила, действующая между цветными зарядами, может быть изображена с помощью силовых линий. Однако линии цветного поля не так сильно изгибаются от одного заряда к другому, потому что они плотно стягиваются глюонами (в пределах 1 фм ). Этот эффект ограничивает кварки внутри адронов.

полей, обусловленных цветными зарядами, поскольку в кварках (Gявляется тензор напряженности глюонного поля ). Это «бесцветные» комбинации. Вверху: Цветной заряд имеет «тройные нейтральные состояния», а также двоичную нейтральность (аналогично электрическому заряду ). Внизу: Комбинации кварков и антикварков.

Константа взаимодействия и заряд

В квантовой теории поля, константа связи и заряд разные, но родственные понятия. Константа связи устанавливает величину силы взаимодействия; например, в квантовой электродинамике, постоянная тонкой структуры является константой связи. Заряд в калибровочной теории имеет отношение к тому, как частица трансформируется в соответствии с калибровочной симметрией; т.е. его представление под калибровочной группой. Например, электрон имеет заряд -1, а позитрон имеет заряд +1, подразумевая, что калибровочное преобразование в некотором смысле оказывает на них противоположные эффекты. В частности, если в электродинамике применяется локальное калибровочное преобразование ϕ (x), то можно найти (используя обозначение тензорного индекса ):

A μ → A μ + ∂ μ ϕ (Икс), {\ Displaystyle A _ {\ mu} \ к A _ {\ mu} + \ partial _ {\ mu} \ phi (x),}

{\ displaystyle A _ {\ mu} \ to A_ { \ mu} + \ partial _ {\ mu} \ phi (x),}

ψ → exp ⁡ [+ i Q ϕ (x)] ψ, {\ displaystyle \ psi \ к \ exp [+ iQ \ phi (x)] \ psi,}

{\ displaystyle \ psi \ to \ exp [+ iQ \ phi (x)] \ psi,}

ψ ¯ → exp ⁡ [- i Q ϕ (x)] ψ ¯ {\ displaystyle {\ overline {\ psi}} \ to \ exp [-iQ \ phi (x)] {\ overline {\ psi}}}

\ overline \ psi \ to \ exp [-iQ \ phi (x)] \ overline \ psi

где $A μ {\ displaystyle A _ {\ mu} }$ $A _ {\ mu}$ - поле фотона, а ψ - поле электрона с Q = −1 (черта над ψ обозначает его античастицу - позитрон). Поскольку КХД является неабелевой теорией, представления и, следовательно, цветовые заряды более сложны. Они рассматриваются в следующем разделе.

Кварковые и глюонные поля и цветные заряды

Схема сильных зарядов для трех цветов кварка, трех антикварков и восьми глюонов (с двумя перекрывающимися нулевыми зарядами).

В КХД калибровка группа - это неабелева группа SU (3). ходовая муфта обычно обозначается α s. Каждый тип кварка принадлежит фундаментальному представлению (3) и содержит триплет полей, вместе обозначаемых ψ. Поле антикварк принадлежит к комплексно-сопряженному представлению (3) и также содержит триплет полей. Мы можем написать

ψ = (ψ 1 ψ 2 ψ 3) {\ displaystyle \ psi = {\ begin {pmatrix} \ psi _ {1} \\\ psi _ {2} \\\ psi _ {3} \ end {pmatrix}}}

\ psi = {\ begin {pmatrix} \ psi _ {1} \\\ psi _ {2} \\\ psi _ {3} \ end {pmatrix}}

ψ ¯ = (ψ ¯ 1 ∗ ψ ¯ 2 ∗ ψ ¯ 3 ∗). {\ displaystyle {\ overline {\ psi}} = {\ begin {pmatrix} {\ overline {\ psi}} _ {1} ^ {*} \\ {\ overline {\ psi}} _ {2} ^ { *} \\ {\ overline {\ psi}} _ {3} ^ {*} \ end {pmatrix}}.}

\ overline \ psi = {\ begin {pmatrix} {\ overline \ psi} _ {1} ^ {*} \\ {\ overline \ psi} _ {2} ^ {*} \\ {\ overline \ psi} _ { 3} ^ {*} \ end {pmatrix}}.

Глюон содержит октет полей (см. глюонное поле ), и принадлежит присоединенному представлению (8) и может быть записано с использованием матриц Гелл-Манна как

A μ = A μ a λ a. {\ displaystyle {\ mathbf {A}} _ {\ mu} = A _ {\ mu} ^ {a} \ lambda _ {a}.}

{{\ mathbf A}} _ {\ mu} = A _ {\ mu} ^ {a} \ lambda _ {a}.

(имеется подразумеваемое суммирование по = 1, 2,... 8). Все остальные частицы принадлежат тривиальному представлению (1) цвета SU (3). Цветовой заряд каждого из этих полей полностью определяется представлениями. Кварки имеют цветовой заряд красного, зеленого или синего цвета, а антикварки имеют цветовой заряд антикрасный, антизеленый или антисиний. Глюоны имеют комбинацию двух цветных зарядов (красный, зеленый или синий и один из анти-красного, антизеленого и антисинего) в суперпозиции состояний, которые задаются матрицами Гелл-Манна. Все остальные частицы имеют нулевой цветной заряд. С математической точки зрения, цветовой заряд частицы - это значение некоторого квадратичного оператора Казимира в представлении частицы.

На простом языке, представленном ранее, три индекса «1», «2» и «3» в приведенном выше триплете кварков обычно обозначаются тремя цветами. Красочный язык упускает из виду следующее. Калибровочное преобразование в цвете SU (3) может быть записано как ψ → U ψ, где U - матрица 3 × 3, принадлежащая группе SU (3). Таким образом, после калибровочного преобразования новые цвета представляют собой линейные комбинации старых цветов. Короче говоря, введенный ранее упрощенный язык не является калибровочно-инвариантным.

Цветной заряд сохраняется, но бухгалтерский учет, связанный с этим, более сложен, чем просто суммирование зарядов, как это делается в квантовой электродинамике. Один простой способ сделать это - посмотреть на вершину взаимодействия в КХД и заменить ее представлением в виде цветных линий. Смысл в следующем. Пусть ψ i представляет i-ю компоненту кваркового поля (условно называемую i-м цветом). Цвет глюона аналогично задается параметром A, который соответствует конкретной матрице Гелл-Манна, с которой он связан. Эта матрица имеет индексы i и j. Это цветные метки на глюоне. В вершине взаимодействия q i → g i j + q j. Эти индексы отслеживаются в представлении цветной линии . Сохранение цветового заряда означает, что концы этих цветных линий должны быть либо в начальном, либо в конечном состоянии, что эквивалентно, что ни одна линия не прерывается в середине диаграммы.

Цветное представление 3-глюонной вершины

Поскольку глюоны несут цветной заряд, два глюона также могут взаимодействовать. Типичная вершина взаимодействия (называемая трехглюонной вершиной) для глюонов включает g + g → g. Это показано здесь вместе с его цветной линией. Диаграммы цветных линий можно переформулировать в терминах законов сохранения цвета; однако, как отмечалось ранее, это не калибровочно-инвариантный язык. Обратите внимание, что в типичной неабелевой калибровочной теории калибровочный бозон несет заряд теории и, следовательно, имеет взаимодействия такого рода; например, W-бозон в электрослабой теории. В электрослабой теории W также несет электрический заряд и, следовательно, взаимодействует с фотоном.

См. Также

Найдите цветной заряд в Викисловаре, бесплатном словаре.

Ссылки

Дополнительная литература

Джорджи, Ховард (1999), Алгебры Ли в физике элементарных частиц, Perseus Books Group, ISBN 978-0-7382-0233 -4.
Гриффитс, Дэвид Дж. (1987), Введение в элементарные частицы, Нью-Йорк: John Wiley Sons, ISBN 978-0-471-60386-3.
Christman, Дж. Ричард (2001), «Цвет и очарование» (PDF), Проект PHYSNET документ MISN-0-283 Внешняя ссылка в | work =().
Стивен Хокинг (1998), Краткая история времени, Bantam Dell Publishing Group, ISBN 978-0-553-10953-5.
Клоуз, Фрэнк (2007), The New Cosmic Onion, Тейлор и Фрэнсис, ISBN 978-1-58488-798-0.