Cromodinàmica quàntica (QCD), en física, la teoria que descriu l’acció de la força forta. QCD es va construir en analogia a l’electrodinàmica quàntica (QED), la teoria de camps quàntics de la força electromagnètica. A QED es descriuen les interaccions electromagnètiques de partícules carregades mitjançant l’emissió i l’absorció posterior de fotons sense massa, més conegudes com les “partícules” de llum; aquestes interaccions no són possibles entre partícules neutres i no carregades. El fotó es descriu a QED com la partícula "portadora de força" que media o transmet la força electromagnètica. Per analogia amb QED, la cromodinàmica quàntica prediu l'existència de partícules portadores de força anomenades gluons, que transmeten la força forta entre partícules de matèria que porten "color", una forma de "forta càrrega". La força forta es limita, doncs, al seu efecte al comportament de partícules subatòmiques elementals anomenades quarks i de partícules compostes construïdes a partir de quarks, com ara els protons i neutrons familiars que formen nuclis atòmics, així com les partícules inestables més exòtiques anomenades mesons.
partícula subatòmica: Cromodinàmica quàntica: descrivint la força forta
Ja al 1920, quan Ernest Rutherford va nomenar el protó i el va acceptar com a partícula fonamental, estava clar que l'electromagnètic
El 1973, el concepte del color com a font d'un "camp fort" va ser desenvolupat en la teoria del QCD pels físics europeus Harald Fritzsch i Heinrich Leutwyler, juntament amb el físic nord-americà Murray Gell-Mann. En particular, van emprar la teoria general de camps desenvolupada a la dècada de 1950 per Chen Ning Yang i Robert Mills, en què les partícules portadores d'una força poden irradiar altres partícules portadores. (Això és diferent de QED, on els fotons que porten la força electromagnètica no irradien més fotons.)
A QED només hi ha un tipus de càrrega elèctrica, que pot ser positiva o negativa, de fet, això correspon a la càrrega i a les càrregues anticharge. Per explicar el comportament dels quarks en QCD, per contra, cal haver-hi tres tipus diferents de càrrega de color, cadascun dels quals es pot donar com a color o anticolor. Els tres tipus de càrrega s'anomenen vermell, verd i blau en analogia amb els colors primaris de la llum, encara que no hi ha cap connexió amb el color en el sentit habitual.
Les partícules neutres del color es produeixen d’una de les dues formes. En els barions —partícules subatòmiques construïdes a partir de tres quarks, com, per exemple, protons i neutrons—, els tres quarks són cadascun d’un color diferent, i una barreja dels tres colors produeix una partícula neutra. Els mesons, en canvi, estan construïts a partir de parells de quarks i antiquarks, els seus homòlegs antimateria i, en aquests, l’anticolor de l’antiquarc neutralitza el color del quark, de manera que les càrregues elèctriques positives i negatives es cancel·len mútuament per produir un neutre elèctric. objecte.
Els quarks interactuen mitjançant la força forta mitjançant l’intercanvi de partícules anomenades gluons. En contrast amb el QED, on els fotons intercanviats són neutres elèctricament, els gluons de QCD també carreguen càrregues de color. Per permetre totes les interaccions possibles entre els tres colors de quarks, hi ha d’haver vuit gluons, cadascun dels quals generalment porta una barreja d’un color i un anticolor d’un tipus diferent.
Com que els gluons porten color, poden interactuar entre ells, i això fa que el comportament de la força forta sigui subtilment diferent de la força electromagnètica. QED descriu una força que es pot estendre a través dels racons infinits de l'espai, tot i que la força es fa més feble a mesura que augmenta la distància entre dues càrregues (obeint una llei quadrada inversa). Tanmateix, en el QCD, les interaccions entre gluons emeses per les càrregues de color impedeixen eliminar aquestes càrregues. En canvi, si s’inverteix una energia suficient en l’intent de eliminar un quark d’un protó, per exemple, el resultat és la creació d’un parell de quark-antiquark — és a dir, un mesó. Aquest aspecte de QCD encarna la naturalesa observada a curt abast de la força forta, que es limita a una distància d’uns 10-15 metres, inferior al diàmetre d’un nucli atòmic. També explica l’aparent confinament de quarks, és a dir, només s’han observat en estats compostos lligats en barions (com protons i neutrons) i mesons.
