Введение
Феномен в квантовой хромодинамике
В квантовой хромодинамике (КХД) цветовое заключение, часто называемое просто заключением, — это явление, при котором частицы, несущие цветовой заряд (такие как кварки и глюоны), не могут существовать в изолированном состоянии и, следовательно, не могут быть непосредственно наблюдаемы в обычных условиях при температурах ниже температуры Хагедорна, приблизительно равной 2 теракельвину (что соответствует энергиям приблизительно 130–140 МэВ на частицу). Кварки и глюоны должны объединяться в адроны. Два основных типа адронов — это мезоны (состоящие из одного кварка и одного антикварка) и барионы (состоящие из трех кварков). Кроме того, бесцветные глюболы, состоящие исключительно из глюонов, также согласуются с концепцией заключения, хотя их экспериментальное обнаружение затруднено. Кварки и глюоны нельзя отделить от родительского адрона без образования новых адронов.
Происхождение
Аналитического доказательства ограничения цвета в любой неабелевой калибровочной теории пока не существует. Это явление можно понять качественно, отметив, что переносящие силу глюоны КХД обладают цветовым зарядом, в отличие от фотонов квантовой электродинамики (QED). В то время как электрическое поле между электрически заряженными частицами быстро убывает при увеличении расстояния между ними, глюонное поле между парой цветовых зарядов формирует узкую трубку потока (или струну). Из-за такого поведения глюонного поля, сильное взаимодействие между частицами остаётся постоянным независимо от расстояния между ними. Поэтому, при разделении двух цветовых зарядов, в какой-то момент становится энергетически выгоднее создать новую кварк-антикварковую пару, чем продолжать растягивать трубку. В результате, когда кварки производятся в ускорителях частиц, вместо обнаружения отдельных кварков в детекторах, учёные наблюдают "струи" из множества цветно-нейтральных частиц (мезонов и барионов), сгруппированных вместе. Этот процесс называется адронизацией, фрагментацией или разрывом струны. Конфайнмент-фаза обычно определяется поведением действия петли Вильсона, которая представляет собой траекторию в пространстве-времени, описываемую кварк-антикварковой парой, созданной в одной точке и аннигилированной в другой. В неконфайнментной теории действие такой петли пропорционально её периметру. Однако, в конфайнментной теории, действие петли пропорционально её площади. Поскольку площадь пропорциональна расстоянию между кварк-антикварковой парой, свободные кварки подавляются. Мезоны допустимы в такой картине, так как петля, содержащая другую петлю с противоположной ориентацией, имеет лишь небольшую площадь между двумя петлями. При ненулевых температурах оператор порядка для конфайнмента – это термические версии петель Вильсона, известные как петли Полякова.
Шкала ограничения
Шкала ограничения, или шкала КХД, – это шкала, при которой константа сильного взаимодействия, определённая в рамках теории возмущений, расходится. Это явление известно как полюс Ландау. Определение и значение шкалы ограничения, следовательно, зависят от используемой схемы перенормировки. Например, в схеме MS-bar и при 4-м порядке в уравнении эволюции константы сильного взаимодействия, среднее значение по данным экспериментов в случае трёх ароматов равно
Когда уравнение группы перенормировки решается точно, эта шкала вообще не определена. Поэтому обычно приводят значение константы сильного взаимодействия для конкретной опорной шкалы. Иногда полагают, что единственной причиной ограничения является очень большое значение константы сильного взаимодействия вблизи полюса Ландау. Это явление иногда называют инфракрасным рабством (термин, выбранный в противовес ультрафиолетовой свободе). Однако это неверно, поскольку в КХД полюс Ландау является нефизическим, что проявляется в зависимости его положения от выбранной схемы перенормировки, то есть от условности. Большинство экспериментальных данных указывают на умеренно большое значение константы, обычно порядка 1/3. Компактные абелевы калибровочные теории также демонстрируют ограничение в двух и трёх пространственно-временных измерениях. Ограничение было обнаружено в элементарных возбуждениях магнитных систем, называемых спинонами. Если бы масштаб нарушения электрослабой симметрии был уменьшен, неразрушенное взаимодействие SU(2) в конечном итоге стало бы ограничивающим. Альтернативные модели, в которых SU(2) становится ограничивающим при энергиях выше этого масштаба, количественно согласуются со Стандартной моделью при низких энергиях, но существенно отличаются при энергиях выше масштаба нарушения симметрии.
Модели полностью экранированных кварков
Помимо идеи о заключении кварков, существует вероятность того, что цветовой заряд кварков полностью экранируется глюонным окружением кварка. Найдены точные решения классической SU(3) теории Янга-Миллса, обеспечивающие полную экранировку цветового заряда кварка глюонными полями. Однако эти классические решения не учитывают нетривиальные свойства вакуума КХД. Поэтому значимость этих решений, обеспечивающих полную глюонную экранировку, для изолированного кварка остаётся неясной.