In der theoretischen Physik ist Quant chromodynamics (QCD) eine Theorie der starken Wechselwirkung (Farbenkraft), eine grundsätzliche Kraft, die die Wechselwirkungen zwischen Quarken und gluons beschreibt, die hadrons (wie das Proton, Neutron oder pion) zusammensetzen. Es ist die Studie des SU (3) Yang-Mühle-Theorie von farbenbeladenem fermions (die Quarke). QCD ist eine Quant-Feldtheorie einer speziellen Art genannt eine Non-Abelian-Maß-Theorie, das Bestehen aus einem 'Farbenfeld' hat durch eine Reihe von Austauschpartikeln (der gluons) vermittelt. Die Theorie ist ein wichtiger Teil des Standardmodells der Partikel-Physik. Ein riesiger Körper von experimentellen Beweisen für QCD ist im Laufe der Jahre gesammelt worden.

QCD genießt zwei eigenartige Eigenschaften:

• Beschränkung, was bedeutet, dass sich die Kraft zwischen Quarken nicht vermindert, weil sie getrennt werden. Wegen dessen würde es einen unendlichen Betrag der Energie bringen, zwei Quarke zu trennen; sie werden für immer in hadrons wie das Proton und das Neutron gebunden. Obwohl analytisch unbewiesen, wie man weit glaubt, ist Beschränkung wahr, weil sie den konsequenten Misserfolg von freien Quark-Suchen erklärt, und es leicht ist, im Gitter QCD zu demonstrieren.
• Asymptotische Freiheit, was bedeutet, dass in sehr energiereichen Reaktionen Quarke und gluons sehr schwach aufeinander wirken. Diese Vorhersage von QCD wurde zuerst am Anfang der 1970er Jahre von David Politzer und von Frank Wilczek und David Gross entdeckt. Für diese Arbeit wurden sie dem 2004-Nobelpreis in der Physik zuerkannt.

Es gibt keine bekannte Linie des Phase-Übergangs, die diese zwei Eigenschaften trennt; Beschränkung ist in Skalen der niedrigen Energie dominierend, aber, als Energie zunimmt, wird asymptotische Freiheit dominierend.

Fachsprache

Das Wortquark wurde vom amerikanischen Physiker Murray Gell-Mann ins Leben gerufen (b. 1929) in seinem gegenwärtigen Sinn. Es kommt ursprünglich aus dem Ausdruck "Drei Quarke für Muster Mark" im Finnegans-Kielwasser durch James Joyce. Am 27. Juni 1978 hat Gell-Mann einen privaten Leserbrief des englischen Wörterbuches von Oxford geschrieben, in dem er das verbunden hat, war er unter Einfluss der Wörter von Joyce gewesen: "Die Anspielung auf drei Quarke ist vollkommen geschienen." (Ursprünglich waren nur drei Quarke entdeckt worden.) hat Gell-Mann jedoch das Wort mit (ô) nicht (ä) aussprechen wollen, weil Joyce geschienen ist, durch reimende Wörter in der Umgebung wie Mark anzuzeigen. Gell-Mann hat darum "dadurch herumgekommen angenommen, dass eine Zutat der Linie 'Drei Quarke für Muster Mark' ein Schrei von 'Drei Quarten für den Herrn war...' gehört in der Bar von H.C. Earwicker," ein plausibler Vorschlag gegeben der Komplex, der im Roman von Joyce witzelt.

Die drei Arten der Anklage in QCD (im Vergleich mit einem in der Quant-Elektrodynamik oder QED) werden gewöhnlich "Farbenanklage" in die lose Analogie zu den drei Arten der Farbe (rot, grün und blau) wahrgenommen von Menschen genannt. Anders als diese Nomenklatur ist der Quant-Parameter "Farbe" zum täglichen, vertrauten Phänomen der Farbe völlig ohne Beziehung.

Da die Theorie der elektrischen Anklage "Elektrodynamik" synchronisiert wird, wird das griechische Wort "chroma"  (Bedeutung der Farbe) auf die Theorie der Farbenanklage, "chromodynamics" angewandt.

Geschichte

Mit der Erfindung von Luftblase-Räumen und Funken-Räumen in den 1950er Jahren hat experimentelle Partikel-Physik einen großen entdeckt, und die jemals-steigende-Zahl von Partikeln hat hadrons genannt. Es ist geschienen, dass solch eine Vielzahl von Partikeln nicht alles grundsätzlich sein konnte. Erstens wurden die Partikeln durch die Anklage und isospin von Eugene Wigner und Werner Heisenberg klassifiziert; dann, 1953, gemäß der Eigenartigkeit durch Murray Gell-Mann und Kazuhiko Nishijima. Um größere Scharfsinnigkeit zu gewinnen, wurden die hadrons in Gruppen sortiert, die ähnliche Eigenschaften und Massen mit dem achtfältigen Weg, erfunden 1961 von Gell-Mann und Yuval Ne'eman haben. Gell-Mann und George Zweig, eine frühere Annäherung von Shoichi Sakata korrigierend, haben fortgesetzt, 1963 vorzuschlagen, dass die Struktur der Gruppen durch die Existenz von drei Geschmäcken nach kleineren Partikeln innerhalb des hadrons erklärt werden konnte: die Quarke.

Vielleicht wurde die erste Bemerkung, dass Quarke eine zusätzliche Quantenzahl besitzen sollten, als ein kurzer Kommentar im Vorabdruck von Boris Struminsky im Zusammenhang mit Ω hyperon zusammengesetzt aus drei fremden Quarken mit parallelen Drehungen gemacht (diese Situation war eigenartig, weil da Quarke fermions sind, wird solche Kombination durch den Ausschluss-Grundsatz von Pauli verboten): Boris Struminsky war ein Doktorstudent von Nikolay Bogolyubov. Das in diesem Vorabdruck betrachtete Problem wurde von Nikolay Bogolyubov angedeutet, der Boris Struminsky in dieser Forschung empfohlen hat. Am Anfang von 1965 haben Nikolay Bogolyubov, Boris Struminsky und Albert Tavchelidze einen Vorabdruck mit einer ausführlicheren Diskussion des zusätzlichen Quark-Quant-Grads der Freiheit geschrieben. Diese Arbeit wurde auch von Albert Tavchelidze präsentiert, ohne Zustimmung seiner Mitarbeiter zu erhalten, um so auf einer internationalen Konferenz in Trieste (Italien) im Mai 1965 zu tun.

Eine ähnliche mysteriöse Situation war mit dem Δ baryon; im Quark-Modell wird es aus drei Quarke mit parallelen Drehungen zusammengesetzt. 1965 hat mit dem Muhen junge Han mit Yoichiro Nambu und Oskar W. Greenberg unabhängig das Problem aufgelöst, indem sie vorgeschlagen hat, dass Quarke einen zusätzlichen SU (3) Maß-Grad der Freiheit, später genannt Farbenanklage besitzen. Han und Nambu haben bemerkt, dass Quarke über ein Oktett von Vektor-Maß-bosons aufeinander wirken könnten: der gluons.

Seitdem freie Quark-Suchen durchweg gescheitert haben, irgendwelche Beweise für die neuen Partikeln nach oben zu drehen, und weil eine elementare Partikel zurück dann als eine Partikel definiert wurde, die getrennt und isoliert werden konnte, hat Gell-Mann häufig gesagt, dass Quarke bloß günstige mathematische Konstruktionen, nicht echte Partikeln waren. Die Bedeutung dieser Behauptung war gewöhnlich im Zusammenhang klar: Er hat gemeint, dass Quarke beschränkt werden, aber er deutete auch an, dass die starken Wechselwirkungen wahrscheinlich durch die Quant-Feldtheorie nicht völlig beschrieben werden konnten.

Richard Feynman hat behauptet, dass hohe Energieexperimente gezeigt haben, dass Quarke echte Partikeln sind: Er hat sie partons genannt (seitdem sie Teile von hadrons waren). Durch Partikeln hat Feynman Gegenstände vorgehabt, die entlang Pfaden, elementaren Partikeln in einer Feldtheorie reisen.

Der Unterschied zwischen den Annäherungen von Feynman und Gell-Manns hat einen tiefen Spalt in der Gemeinschaft der theoretischen Physik widerspiegelt. Feynman hat gedacht, dass die Quarke einen Vertrieb der Position oder Schwung wie jede andere Partikel haben, und er (richtig) geglaubt hat, dass die Verbreitung des parton Schwungs das Diffractive-Zerstreuen erklärt hat. Obwohl Gell-Mann geglaubt hat, dass bestimmte Quark-Anklagen lokalisiert werden konnten, war er für die Möglichkeit offen, dass die Quarke selbst nicht lokalisiert werden konnten, weil Zeit und Raum zusammenbricht. Das war die radikalere Annäherung der S-Matrixtheorie.

James Bjorken hat vorgeschlagen, dass punktmäßiger partons andeuten würde, dass bestimmte Beziehungen im tiefen unelastischen Zerstreuen von Elektronen und Protonen halten sollten, die in Experimenten an SLAC 1969 eindrucksvoll nachgeprüft wurden. Das hat Physiker dazu gebracht, die S-Matrixannäherung für die starken Wechselwirkungen aufzugeben.

Die Entdeckung der asymptotischen Freiheit in den starken Wechselwirkungen durch David Gross, David Politzer und Frank Wilczek hat Physikern erlaubt, genaue Vorhersagen der Ergebnisse von vielen hohen Energieexperimenten mit der Quant-Feldtheorie-Technik der Unruhe-Theorie zu machen. Beweise von gluons wurden in drei Strahlereignissen an PETRA 1979 entdeckt. Diese Experimente sind immer genauer geworden, in der Überprüfung von perturbative QCD am Niveau von einigem Prozent am LEP in CERN kulminierend.

Die andere Seite der asymptotischen Freiheit ist Beschränkung. Da die Kraft zwischen Farbenanklagen mit der Entfernung nicht abnimmt, wird es geglaubt, dass Quarke und gluons von hadrons nie befreit werden können. Dieser Aspekt der Theorie wird innerhalb des Gitters QCD Berechnung nachgeprüft, aber wird nicht mathematisch bewiesen. Eines der vom Tonmathematik-Institut bekannt gegebenen Millennium-Preis-Probleme verlangt, dass ein Kläger solch einen Beweis erzeugt. Andere Aspekte von non-perturbative QCD sind die Erforschung von Phasen der Quark-Sache einschließlich des Plasmas des Quarks-gluon.

Die Beziehung zwischen der Partikel-Grenze der kurzen Entfernung und der beschränkenden Langstreckengrenze ist eines der Themen kürzlich erforschte Verwenden-Schnur-Theorie, die moderne Form der S-Matrixtheorie.

Theorie