Confinarea culorii

În cromodinamica cuantică (QCD), confinarea culorii, adesea numită simplu confinare, este fenomenul prin care particulele cu sarcină de culoare (cum ar fi quarcurile și gluonii) nu pot fi izolate și, prin urmare, nu pot fi observate direct în condiții normale, sub temperatura Hagedorn de aproximativ 2 tera kelvin (corespunzând energiilor de aproximativ 130–140 MeV pe particulă).^[1] Quarcurile și gluonii trebuie să se grupeze pentru a forma hadroni. Cele două tipuri principale de hadroni sunt mezonii (un quarc și un antiquarc) și barionii (trei quarcuri). În plus, glueball-urile incolore formate doar din gluoni sunt, de asemenea, consistente cu fenomenul de confinare, deși sunt dificile de identificat experimental. Quarcurile și gluonii nu pot fi separați de hadronul lor părinte fără a produce hadroni noi.^[2]

Origine

Nu există încă o dovadă analitică a confinării culorii în nicio teorie gauge non-abeliană. Fenomenul poate fi înțeles calitativ observând că gluonii purtători de forță ai QCD au sarcină de culoare, spre deosebire de fotonii din electrodinamica cuantică (QED). În timp ce câmpul electric dintre particulele încărcate electric scade rapid pe măsură ce aceste particule sunt separate, câmpul gluonic dintre o pereche de sarcini de culoare formează un tub de flux îngust (sau o „cordă”) între ele. Datorită acestui comportament al câmpului gluonic, forța tare dintre particule rămâne constantă, indiferent de separarea lor.^[3]^[4]

Prin urmare, pe măsură ce două sarcini de culoare sunt separate, la un moment dat devine energetic mai favorabil să apară o nouă pereche quarc-antiquarc decât să se extindă tubul în continuare. Ca rezultat, atunci când quarcurile sunt produse în acceleratoarele de particule, în loc să observe quarcurile individuale în detectoare, oamenii de știință văd „jeturi” de multe particule neutre de culoare (mezoni și barioni), grupate împreună. Acest proces se numește hadronizare, fragmentare sau ruperea corzilor.

Faza de confinare este de obicei definită de comportamentul acțiunii buclei Wilson, care este pur și simplu calea în spațiu-timp parcursă de o pereche quarc-antiquarc creată într-un punct și anihilată într-un alt punct. Într-o teorie non-confinată, acțiunea unei astfel de bucle este proporțională cu perimetrul său. Cu toate acestea, într-o teorie de confinare, acțiunea buclei este în schimb proporțională cu aria sa. Deoarece aria este proporțională cu separarea perechii quarc-antiquarc, quarcurile libere sunt suprimate. Mezonii sunt permiși într-o astfel de imagine, deoarece o buclă care conține o altă buclă cu orientare opusă are doar o mică suprafață între cele două bucle. La temperaturi diferite de zero, operatorul de ordine pentru confinare este reprezentat de versiunile termice ale buclelor Wilson, cunoscute sub numele de bucle Polyakov.

Scara de confinare

Scara de confinare sau scara QCD este scara la care constanta de cuplare tare definită perturbativ diverge. Aceasta este cunoscută sub numele de polul Landau. Definiția și valoarea scalei de confinare depind, așadar, de schema de renormalizare utilizată. De exemplu, în schema MS-bar și la 4 bucle în constanta de cuplaj efectivă dependentă de energie $\alpha _{s}$ , media globală în cazul celor 3 arome este dată de^[5]

\Lambda _{\overline {MS}}^{(3)}=(332\pm 17)\,{\rm {{MeV}\,.}}

Când ecuația grupului de renormalizare este rezolvată exact, scara nu este definită deloc.^{[necesită clarificare]} Prin urmare, este obișnuit să se citeze valoarea constantei de cuplare tare la o scară de referință particulară.

Uneori se crede că singura origine a confinării este valoarea foarte mare a cuplajului tare aproape de polul Landau. Aceasta este uneori denumită sclavie în infraroșu (un termen ales pentru a contrasta cu libertatea ultravioletă). Cu toate acestea, este incorect, deoarece în QCD polul Landau este nefizic,^[6]^[7] ceea ce poate fi observat prin faptul că poziția sa la scara de confinare depinde în mare măsură de schema de renormalizare aleasă, adică de o convenție. Majoritatea dovezilor indică un cuplaj moderat de mare, de obicei cu valori între 1 și 3,^[6] în funcție de alegerea schemei de renormalizare. Spre deosebire de mecanismul simplu, dar eronat, al sclaviei în infraroșu, un cuplaj mare este doar un ingredient pentru confinarea culorii, celălalt fiind că gluonii sunt încărcați cu culoare și, prin urmare, se pot prăbuși în tuburi de gluoni.

Modele care prezintă confinare

Pe lângă QCD în spațiul-timp cvadridimensional, modelul Schwinger bidimensional prezintă, de asemenea, confinare.^[8] Teoriile gauge abeliene compacte prezintă, de asemenea, confinare în spațiu-timp bidimensional și tridimensional.^[9] Confinarea a fost găsită și în excitațiile elementare ale sistemelor magnetice numite spinoni.^[10]

Dacă scara de rupere a simetriei electroslabe ar fi scăzută, interacțiunea SU(2) neruptă ar deveni în cele din urmă confinată. Modelele alternative în care SU(2) devine confinată deasupra acestei scale sunt cantitativ similare cu modelul standard la energii mai mici, dar dramatic diferite deasupra ruperii de simetrie.^[11]

Modele de quarcuri complet ecranate

Pe lângă ideea de confinare a quarcurilor, există o posibilitate potențială ca sarcina de culoare a quarcurilor să fie complet ecranată de culoarea gluonică care înconjoară quarcul. S-au găsit soluții exacte ale teoriei clasice Yang–Mills SU(3) care oferă o ecranare completă (prin câmpuri gluonice) a sarcinii de culoare a unui quarc.^[12] Cu toate acestea, astfel de soluții clasice nu iau în considerare proprietățile nebanale ale vidului QCD. Prin urmare, semnificația unor astfel de soluții de ecranare gluonică completă pentru un quarc separat nu este clară.

Note

^ Barger, V.; Phillips, R. (1997). Collider Physics. Addison–Wesley. ISBN 978-0-201-14945-6.
^ Wu, T.-Y.; Hwang, Pauchy W.-Y. (1991). Relativistic quantum mechanics and quantum fields. World Scientific. p. 321. ISBN 978-981-02-0608-6.
^ Muta, T. (2009). Foundations of Quantum Chromodynamics: An introduction to perturbative methods in gauge theories. Lecture Notes in Physics. 78 (ed. 3rd). World Scientific. ISBN 978-981-279-353-9.
^ Smilga, A. (2001). Lectures on quantum chromodynamics. World Scientific. ISBN 978-981-02-4331-9.
^ „Review on Quantum Chromodynamics” (PDF). Particle Data Group.
^ ^a ^b A. Deur, S. J. Brodsky and G. F. de Teramond, (2016) “The QCD Running Coupling” Prog. Part. Nucl. Phys. 90, 1
^ D. Binosi, C. Mezrag, J. Papavassiliou, C. D. Roberts and J. Rodriguez-Quintero, (2017) “Process-independent strong running coupling” Phys. Rev. D 96, no. 5, 054026
^ Wilson, Kenneth G. (1974). „Confinement of Quarks”. Physical Review D. 10 (8): 2445–2459. Bibcode:1974PhRvD..10.2445W. doi:10.1103/PhysRevD.10.2445.
^ Schön, Verena; Michael, Thies (2000). „2d Model Field Theories at Finite Temperature and Density (Section 2.5)”. În Shifman, M. At the Frontier of Particle Physics. pp. 1945–2032. Bibcode:2001afpp.book.1945S. doi:10.1142/9789812810458_0041. ISBN 978-981-02-4445-3.
^ Lake, Bella; Tsvelik, Alexei M.; Notbohm, Susanne; Tennant, D. Alan; Perring, Toby G.; Reehuis, Manfred; Sekar, Chinnathambi; Krabbes, Gernot; Büchner, Bernd (2009). „Confinement of fractional quantum number particles in a condensed-matter system”. Nature Physics. 6 (1): 50–55. Bibcode:2010NatPh...6...50L. doi:10.1038/nphys1462.
^ Claudson, M.; Farhi, E.; Jaffe, R. L. (1 august 1986). „Strongly coupled standard model”. Physical Review D. 34 (3): 873–887. Bibcode:1986PhRvD..34..873C. doi:10.1103/PhysRevD.34.873. PMID 9957220.
^ Cahill, Kevin (1978). „Example of Color Screening”. Physical Review Letters. 41 (9): 599–601. Bibcode:1978PhRvL..41..599C. doi:10.1103/PhysRevLett.41.599.

Vezi și

[1] Barger, V.; Phillips, R. (1997). Collider Physics. Addison–Wesley. ISBN 978-0-201-14945-6.

[2] Wu, T.-Y.; Hwang, Pauchy W.-Y. (1991). Relativistic quantum mechanics and quantum fields. World Scientific. p. 321. ISBN 978-981-02-0608-6.

[3] Muta, T. (2009). Foundations of Quantum Chromodynamics: An introduction to perturbative methods in gauge theories. Lecture Notes in Physics. 78 (ed. 3rd). World Scientific. ISBN 978-981-279-353-9.

[4] Smilga, A. (2001). Lectures on quantum chromodynamics. World Scientific. ISBN 978-981-02-4331-9.

[5] „Review on Quantum Chromodynamics” (PDF). Particle Data Group.

[alpha_s_review_2016-6] A. Deur, S. J. Brodsky and G. F. de Teramond, (2016) “The QCD Running Coupling” Prog. Part. Nucl. Phys. 90, 1

[alpha_s_DSE_2016-7] D. Binosi, C. Mezrag, J. Papavassiliou, C. D. Roberts and J. Rodriguez-Quintero, (2017) “Process-independent strong running coupling” Phys. Rev. D 96, no. 5, 054026

[Wilson_1974-8] Wilson, Kenneth G. (1974). „Confinement of Quarks”. Physical Review D. 10 (8): 2445–2459. Bibcode:1974PhRvD..10.2445W. doi:10.1103/PhysRevD.10.2445.

[9] Schön, Verena; Michael, Thies (2000). „2d Model Field Theories at Finite Temperature and Density (Section 2.5)”. În Shifman, M. At the Frontier of Particle Physics. pp. 1945–2032. Bibcode:2001afpp.book.1945S. doi:10.1142/9789812810458_0041. ISBN 978-981-02-4445-3.

[Lake_et_al,_2009-10] Lake, Bella; Tsvelik, Alexei M.; Notbohm, Susanne; Tennant, D. Alan; Perring, Toby G.; Reehuis, Manfred; Sekar, Chinnathambi; Krabbes, Gernot; Büchner, Bernd (2009). „Confinement of fractional quantum number particles in a condensed-matter system”. Nature Physics. 6 (1): 50–55. Bibcode:2010NatPh...6...50L. doi:10.1038/nphys1462.

[11] Claudson, M.; Farhi, E.; Jaffe, R. L. (1 august 1986). „Strongly coupled standard model”. Physical Review D. 34 (3): 873–887. Bibcode:1986PhRvD..34..873C. doi:10.1103/PhysRevD.34.873. PMID 9957220.

[Cahill_1978-12] Cahill, Kevin (1978). „Example of Color Screening”. Physical Review Letters. 41 (9): 599–601. Bibcode:1978PhRvL..41..599C. doi:10.1103/PhysRevLett.41.599.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]