Quantenchromodynamik (QCD)in der Physik die Theorie, die die Wirkung der starken Kraft beschreibt. QCD wurde in Analogie zur Quantenelektrodynamik (QED) konstruiert, der Quantenfeldtheorie der elektromagnetischen Kraft. In der QED werden die elektromagnetischen Wechselwirkungen geladener Teilchen durch die Emission und anschließende Absorption masseloser Photonen beschrieben, die am besten als "Teilchen" des Lichts bekannt sind. Solche Wechselwirkungen zwischen ungeladenen, elektrisch neutralen Partikeln sind nicht möglich. Das Photon wird in QED als das "Kraftträger" -Teilchen beschrieben, das die elektromagnetische Kraft vermittelt oder überträgt. In Analogie zu QED sagt die Quantenchromodynamik die Existenz von Kraftträgerteilchen voraus, die als Gluonen bezeichnet werden und die starke Kraft zwischen Materieteilchen übertragen, die "Farbe" tragen, eine Form starker "Ladung". Die starke Kraft beschränkt sich daher in ihrer Wirkung auf das Verhalten von subatomaren Elementarteilchen, die als Quarks bezeichnet werden, und von Verbundteilchen, die aus Quarks aufgebaut sind, wie den bekannten Protonen und Neutronen, aus denen Atomkerne bestehen, sowie von exotischeren instabilen Teilchen, die als Mesonen bezeichnet werden.
subatomares Teilchen: Quantenchromodynamik: Beschreibung der starken Kraft
Bereits 1920, als Ernest Rutherford das Proton benannte und als grundlegendes Teilchen akzeptierte, war klar, dass es elektromagnetisch ist
1973 wurde das Konzept der Farbe als Quelle eines „starken Feldes“ von den europäischen Physikern Harald Fritzsch und Heinrich Leutwyler zusammen mit dem amerikanischen Physiker Murray Gell-Mann zur QCD-Theorie entwickelt. Insbesondere verwendeten sie die in den 1950er Jahren von Chen Ning Yang und Robert Mills entwickelte allgemeine Feldtheorie, bei der die Trägerteilchen einer Kraft selbst weitere Trägerteilchen ausstrahlen können. (Dies unterscheidet sich von QED, wo die Photonen, die die elektromagnetische Kraft tragen, keine weiteren Photonen ausstrahlen.)
In QED gibt es nur eine Art elektrischer Ladung, die positiv oder negativ sein kann - tatsächlich entspricht dies Ladung und Aufladung. Um das Verhalten von Quarks in QCD zu erklären, müssen dagegen drei verschiedene Arten von Farbladungen vorhanden sein, von denen jede als Farbe oder Antifarbe auftreten kann. Die drei Ladungsarten werden in Analogie zu den Primärfarben des Lichts als Rot, Grün und Blau bezeichnet, obwohl im üblichen Sinne keinerlei Verbindung zur Farbe besteht.
Farbneutrale Partikel treten auf zwei Arten auf. In Baryonen - subatomaren Teilchen, die aus drei Quarks aufgebaut sind, wie beispielsweise Protonen und Neutronen - haben die drei Quarks jeweils eine andere Farbe, und eine Mischung der drei Farben erzeugt ein Teilchen, das neutral ist. Mesonen hingegen bestehen aus Paaren von Quarks und Antiquarks, ihren Antimaterie-Gegenstücken, und in diesen neutralisiert die Antifarbe des Antiquarks die Farbe des Quarks, so wie sich positive und negative elektrische Ladungen gegenseitig aufheben, um eine elektrisch neutrale zu erzeugen Objekt.
Quarks interagieren über die starke Kraft, indem sie Partikel austauschen, die Gluonen genannt werden. Im Gegensatz zu QED, wo die ausgetauschten Photonen elektrisch neutral sind, tragen die Gluonen von QCD auch Farbladungen. Um alle möglichen Wechselwirkungen zwischen den drei Farben von Quarks zu ermöglichen, müssen acht Gluonen vorhanden sein, von denen jedes im Allgemeinen eine Mischung aus einer Farbe und einer anderen Farbe einer anderen Art trägt.
Da Gluonen Farbe tragen, können sie untereinander interagieren, und dies unterscheidet das Verhalten der starken Kraft geringfügig von der elektromagnetischen Kraft. QED beschreibt eine Kraft, die sich über unendliche Bereiche des Weltraums erstrecken kann, obwohl die Kraft mit zunehmendem Abstand zwischen zwei Ladungen schwächer wird (unter Befolgung eines inversen Quadratgesetzes). Bei der QCD verhindern jedoch die Wechselwirkungen zwischen Gluonen, die durch Farbladungen emittiert werden, dass diese Ladungen auseinandergezogen werden. Wenn stattdessen ausreichend Energie in den Versuch investiert wird, beispielsweise einen Quark aus einem Proton herauszuschlagen, entsteht ein Quark-Antiquark-Paar - mit anderen Worten ein Meson. Dieser Aspekt der QCD verkörpert die beobachtete Nahbereichscharakteristik der starken Kraft, die auf einen Abstand von etwa 10 bis 15 Metern begrenzt ist, der kürzer als der Durchmesser eines Atomkerns ist. Es erklärt auch die offensichtliche Beschränkung von Quarks - das heißt, sie wurden nur in gebundenen zusammengesetzten Zuständen in Baryonen (wie Protonen und Neutronen) und Mesonen beobachtet.
