Kvanttiväridynamiikka

Kvanttiväridynamiikka eli kvanttikromodynamiikka eli QCD on kvarkkien ja gluonien välistä vuorovaikutusta eli vahvaa vuorovaikutusta kuvaava fysiikan teoria.[1] QCD on oleellinen osa hiukkasfysiikan standardimallia. Kvarkit ja gluonit ovat hadronien, kuten neutronien ja protonien rakenneosasia. QCD:ssä vahvaa vuorovaikutusta, eli värivoimaa kantavat gluonit sitovat kvarkit hadroneiksi. Gluoneilla on kahdeksan väristä ja jostakin antiväristä koostuvaa väriyhdistelmää, kun taas kvarkeilla on kolmea eri väriä (ja antikvarkeilla kolmea eri antiväriä).

Kvarkeilla on kolme erilaista väriä. Värivoimaa kantavat Gluonit (Keltaiset aallot kuvassa) sitovat kvarkit hadroniksi.

QCD:lle ominaista on asymptoottinen vapaus, mikä tarkoittaa sitä, että kvarkkien lähestyessä hadronissa toisiaan niiden välinen vuorovaikutus pienenee kohti nollaa. Vastaavasti hadronissa olevien kvarkkien irrottaminen toisistaan vaatii lähes äärettömän suuren voiman.[2] Teorian asymptoottisesta vapaudesta keksi David Politzer, Frank Wilczek ja David Gross vuonna 1973.[3]

QCD on jossain määrin analoginen kvanttisähködynamiikalle eli QED:lle, jossa välittäjähiukkasena toimii massaton sähkömagneettista voimaa kuljettava fotoni vastikkeena QCD:n värivoimaa kuljettavalle gluonille.[4] Oleellisin ero QCD:n ja QED:n välillä lienee se, että gluonit voivat vuorovaikuttaa keskenään värivarauksensa takia, mutta fotoneilla ei ole sähkövarausta, joten ne eivät vuorovaikuta keskenään.

Kvarkkeja on kuutta eri tyyppiä eli makua: u (up, ylös), d (down, alas), s (strange, outo), c (charm, lumo), t (top, huippu), b (bottom, pohja). Alkeisvarausyksiköissä mitattuna u-, c- ja t-kvarkkien varaukset ovat +2/3 ja d-, s- ja b-kvarkkien –1/3, jolloin niiden yhdistelmistä saadaan nukleonien ja muiden hadronien varaukset ja koostumus. Hadronit ovat ns. värineutraaleja, eli niiden värivaraus on aina nolla. Joten hadronin sisällä olevilla kvarkeilla on joko kaikki kolme väriä (punainen, sininen ja vihreä), kaikki kolme antiväriä (antipunainen, antisininen ja antivihreä) tai väri ja sitä vastaava antiväri (esim. sininen ja antisininen).