Цветовой заряд в КХД: свойство кварков и глюонов, определяющее сильное взаимодействие. Существуют красный, зеленый, синий и антицвета, всегда образующие нейтральные системы.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Квантовое число, связанное с сильным взаимодействием
Quantum number related to the strong force
Цветовой заряд — это свойство кварков и глюонов, определяющее их сильные взаимодействия в рамках теории квантовой хромодинамики (КХД). Подобно электрическому заряду, он определяет, как кварки и глюоны взаимодействуют посредством сильного взаимодействия; однако, в отличие от существования только положительных и отрицательных зарядов, существуют три типа "зарядов", обычно называемые красным, зеленым и синим. Кроме того, существуют три "антицвета", обычно называемые антикрасным, антизеленым и антисиним. В отличие от электрического заряда, цветовой заряд никогда не наблюдается в природе: во всех случаях красный, зеленый и синий (или антикрасный, антизеленый и антисиний), либо любой цвет и его антицвет, объединяются, образуя "цветонейтральную" систему. Например, три кварка, составляющие любой барион, всегда имеют три различных цветовых заряда, а два кварка, составляющие любой мезон, всегда имеют цветовые заряды, противоположные друг другу. "Цветовой заряд" кварков и глюонов не имеет никакого отношения к общепринятым значениям слов "цвет" и "заряд". Термин "цвет" и обозначения красный, зеленый и синий стали популярными исключительно из-за свободной аналогии с основными цветами.
Color charge is a property of quarks and gluons that is related to the particles' strong interactions in the theory of quantum chromodynamics (QCD). Like electric charge, it determines how quarks and gluons interact through the strong force; however, rather than there being only positive and negative charges, there are three "charges", commonly called red, green, and blue. Additionally, there are three "anti colors", commonly called anti red, anti green, and anti blue. Unlike electric charge, color charge is never observed in nature: in all cases, red, green, and blue (or anti red, anti green, and anti blue) or any color and its anti color combine to form a "color neutral" system. For example, the three quarks making up any baryon universally have three different color charges, and the two quarks making up any meson universally have opposite color charge. The "color charge" of quarks and gluons is completely unrelated to the everyday meanings of color and charge. The term color and the labels red, green, and blue became popular simply because of the loose analogy to the primary colors.
История
Вскоре после того, как в 1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг предложили существование кварков, Му Ён Хан и Йоичиро Намбу ввели скрытую внутреннюю степень свободы, в которой волновые функции кварков были антисимметричны, тем самым решив проблему спин-статистики модели кварков Гелл-Манна — Цвейга. Хан и Намбу первоначально обозначили эту степень свободы группой SU(3), но в последующих работах она стала известна как «модель трех дублетов». Одной из особенностей модели (которую первоначально предпочитали Хан и Намбу) было то, что она допускала кварки с целым электрическим зарядом, наряду с кварками с дробным зарядом, первоначально предложенными Цвейгом и Гелл-Манном. Несколько позже, в начале 1970-х годов, Гелл-Манн, в ходе ряда конференций, ввел термин «цвет» для описания внутренней степени свободы модели трех дублетов и предложил новую теорию поля, названную квантовой хромодинамикой (КХД), для описания взаимодействия кварков и глюонов внутри адронов. В КХД Гелл-Манна каждый кварк и глюон имеет дробный электрический заряд и несет то, что стало называться цветовым зарядом в пространстве цветовой степени свободы.
Shortly after the existence of quarks was proposed by Murray Gell Mann and George Zweig in 1964, Moo Young Han and Yoichiro Nambu introduced a hidden internal degree of freedom in which quark wave functions were antisymmetric, thus solving the spin statistics problem of the Gell Mann Zweig quark model. Han and Nambu initially designated this degree of freedom by the group SU(3), but it was referred to in later papers as "the three triplet model." One feature of the model (which was originally preferred by Han and Nambu) was that it permitted integrally charged quarks, as well as the fractionally charged quarks initially proposed by Zweig and Gell Mann. Somewhat later, in the early 1970s, Gell Mann, in several conference talks, coined the name color to describe the internal degree of freedom of the three triplet model, and advocated a new field theory, designated as quantum chromodynamics (QCD) to describe the interaction of quarks and gluons within hadrons. In Gell Mann's QCD, each quark and gluon has fractional electric charge, and carries what came to be called color charge in the space of the color degree of freedom.
Линии поля от цветовых зарядов
Аналогично электрическому полю и электрическим зарядам, сильное взаимодействие между цветовыми зарядами можно изобразить с помощью линий поля. Однако линии цветового поля не так сильно расходятся от одного заряда к другому, поскольку они плотно стягиваются глюонами (в пределах 1 фм). Этот эффект заключает кварки внутри адронов.
Analogous to an electric field and electric charges, the strong force acting between color charges can be depicted using field lines. However, the color field lines do not arc outwards from one charge to another as much, because they are pulled together tightly by gluons (within 1 fm). This effect confines quarks within hadrons.
Константа сцепления и заряд
В квантовой теории поля постоянная связи и заряд – разные, но взаимосвязанные понятия. Постоянная связи определяет величину силы взаимодействия; например, в квантовой электродинамике постоянная тонкой структуры является постоянной связи. Заряд в калибровочной теории связан со способом преобразования частицы относительно калибровочной симметрии, то есть с её представлением в калибровочной группе. Например, электрон имеет заряд −1, а позитрон – заряд +1, что означает, что калибровочное преобразование оказывает на них противоположное воздействие в некотором смысле. В частности, если в электродинамике применяется локальное калибровочное преобразование φ(x), то можно найти (используя тензорную нотацию):
In a quantum field theory, a coupling constant and a charge are different but related notions. The coupling constant sets the magnitude of the force of interaction; for example, in quantum electrodynamics, the fine structure constant is a coupling constant. The charge in a gauge theory has to do with the way a particle transforms under the gauge symmetry; i. e., its representation under the gauge group. For example, the electron has charge −1 and the positron has charge +1, implying that the gauge transformation has opposite effects on them in some sense. Specifically, if a local gauge transformation ϕ(x) is applied in electrodynamics, then one finds (using tensor index notation):
где A – поле фотонов, а ψ – электронное поле с Q = −1 (черта над ψ обозначает его античастицу – позитрон). Поскольку КХД является неабелевой теорией, представления, а следовательно, и цветовые заряды, более сложны. Они рассматриваются в следующем разделе.
where is the photon field, and ψ is the electron field with 1=Q = −1 (a bar over ψ denotes its antiparticle — the positron). Since QCD is a non abelian theory, the representations, and hence the color charges, are more complicated. They are dealt with in the next section.