Barevné uvěznění

Barevná síla upřednostňuje uvěznění, protože v určité vzdálenosti je energeticky výhodnější vytvořit pár kvark–antikvark, než pokračovat v prodlužování trubice barevného toku. Toto chování připomíná natahování gumičky vedoucí až k jejímu prasknutí.
Animace barevného uvěznění. Pokud se kvarkům dodává energie, jak je ukázáno, gluonová trubice se prodlužuje, až dosáhne bodu, kdy „praskne“ a vytvoří pár kvark–antikvark. To je důvod, proč nelze pozorovat izolované kvarky.

Barevné uvěznění (anglicky color confinement) je jev v kvantové chromodynamice (QCD), kterým se vysvětluje, proč nelze izolovat a tedy ani samostatně pozorovat barevně nabité částice (například kvarky a gluony) při teplotě nižší, než je Hagedornova teplota přibližně 2 terakelvinů (což odpovídá energiím přibližně 130–140 MeV na částici).[1][2]

Hadrony jsou tvořeny shlukem kvarků a gluonů. Dva hlavní typy hadronů jsou mezony (tvořené jedním kvarkem a jedním antikvarkem) a baryony (tvořené třemi kvarky). S uvězněním jsou také konzistentní bezbarvé gluebally tvořené pouze gluony, i když se těžko identifikují experimentálně. Kvarky a gluony nelze oddělit od jejich rodičovského hadronu bez vytvoření nových hadronů.[3]

Původ

Analytický důkaz barevného uvěznění v nějaké kalibrační teorii doposud neexistuje. Tento jev lze kvalitativně chápat tak, že si všimneme, že sílu nesoucí gluony v QCD mají barevný náboj, na rozdíl od fotonů v kvantové elektrodynamice (QED). Zatímco síla elektrického pole mezi elektricky nabitými částicemi při jejich vzdalování rychle klesá, gluonové pole mezi dvojicí barevných nábojů vytváří úzkou trubici toku (neboli strunu – ta však nemá nic společného se strunami v teorii strun). Kvůli tomuto chování gluonového pole je silná síla mezi částicemi konstantní bez ohledu na jejich vzdálenost.[4][5]

Proto při vzdalování dvou barevných nábojů začne být v určitém bodě energeticky výhodnější, aby místo dalšího prodlužování trubice toku vznikl nový pár kvark–antikvark. Tím se vysvětluje, že při vzniku kvarků v urychlovačích částic nelze pozorovat jednotlivé kvarky, ale „jety“ mnoha barevně neutrálních částic (mezonů a baryonů), shluklých dohromady. Tento proces se nazývá hadronizace, fragmentace nebo prasknutí struny.

Uvězňující fáze je obvykle definována chováním akce Wilsonovy smyčky, což je prostě trajektorie v časoprostoru od místa vzniku páru kvark–antikvark k místu jejich anihilace. V teorii bez uvěznění je akce takové smyčky úměrná jejímu obvodu. V teorii s uvězněním je naproti tomu akce smyčky úměrná její ploše. Protože plocha je úměrná vzdálenosti dvojice kvark–antikvark, volné kvarky nemohou existovat. Existence mezonů je možná, protože smyčka obsahující jinou smyčku s opačnou orientací má pouze malou plochu mezi oběma smyčkami.

Někdy se předpokládá, že, že jedinou příčinou barevného uvěznění je velmi velká hodnota silné vazby blízko Landauova pólu. Tomuto jevu se někdy říká infračervené otroctví (termín je opakem ultrafialové volnosti). Je ale nesprávný protože v QCD je Landauův pól nefyzikální,[6][7] jak je vidět z faktu, že jeho pozice ve škále uvěznění závisí z větší části na volbě renormalizačního schématu, tj. na konvenci. Většina pozorování svědčí o středně silné vazbě, typicky s hodnotou 1-3[6] v závislosti na volbě renormalizačního schématu. Proti jednoduchému ale chybnému mechanismu infračerveného otroctví je síla vazby jen jedním z důvodů barevného uvěznění; druhým je to, že gluony nesou barevný náboj a proto se mohou zhroutit do gluonových trubic.

Škála uvěznění

Škála uvěznění nebo škála QCD je škála, v níž diverguje perturbačně definovaná silná vazbová konstanta. To je známé jako Landauovo pole. Definice a hodnota proto závisí na použitém renormalizačním schématu. Například u schématu MS-bar (modified minimal subtraction scheme) a pro čtyři smyčky při změně je světový průměr pro případ tří chutí[8]

Když je rovnice renormalizační grupy řešena přesně, není škála vůbec definována. Proto je obvyklé uvádět hodnotu silné vazbové konstanty v určité referenční stupnici.

Modely vykazující uvěznění

Uvěznění kromě QCD v čtyřrozměrném prostoročasu vykazuje také dvourozměrný Schwingerův model.[9] Uvěznění vykazují také kompaktní abelovské kalibrační teorie ve dvou a trojrozměrném prostoročasu.[10] Uvěznění bylo nedávno objeveno při elementárních excitacích magnetických systémů nazývaných spinony.[11]

Pokud by se zmenšila škála narušení elektroslabé symetrie, nenarušená SU(2) interakce by se nakonec stala uvězňující. Alternativní modely, v nichž se SU(2) při překročení této škály stává uvězňující jsou kvantitativně podobné standardnímu modelu při nižších energiích, ale od uvedeného narušení symetrie se dramaticky liší.[12]

Modely plně pozorovatelných kvarků

Vedle kvarkového uvěznění existuje možnost, že by barevný náboj kvarků bylo možné plně pozorovat díky gluonové barvě obklopující kvark. Byla nalezena přesná řešení SU(3) klasické Yangovy–Millsovy teorie, která plné pozorování barevného náboje kvarku umožňují (pomocí gluonových polí).[13] Taková klasická řešení však neberou v úvahu netriviální vlastnosti QCD vakua. Proto význam takových řešení s úplným gluonovým monitorováním samostatného kvarku není zřejmý.

Odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Color confinement na anglické Wikipedii.

  1. ↑ BARGER, V.; PHILLIPS, R., 1997. Collider Physics. [s.l.]: Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-14945-6. 
  2. ↑ GREENSITE, J., 2011. An introduction to the confinement problem. [s.l.]: Springer. (Lecture Notes in Physics). ISBN 978-3-642-14381-6. DOI 10.1007/978-3-642-14382-3. Bibcode 2011LNP...821.....G. 
  3. ↑ WU, T.-Y.; PAUCHY HWANG, W.-Y., 1991. Relativistic quantum mechanics and quantum fields. [s.l.]: World Scientific. ISBN 978-981-02-0608-6. S. 321. 
  4. ↑ MUTA, T., 2009. Foundations of Quantum Chromodynamics: An introduction to perturbative methods in gauge theories. 3rd. vyd. [s.l.]: World Scientific. (Lecture Notes in Physics). Dostupné online. ISBN 978-981-279-353-9. 
  5. ↑ SMILGA, A., 2001. Lectures on quantum chromodynamics. [s.l.]: World Scientific. Dostupné online. ISBN 978-981-02-4331-9. 
  6. ↑ a b DEUR; BRODSKY, S. J.; DE TERAMOND, G. F., 2016. The QCD Running Coupling. Prog. Part. Nucl. Phys. Roč. 90, čís. 1. Dostupné online. 
  7. ↑ BINOSI, D.; MEZRAG, C.; PAPAVASSILIOU, J.; ROBERTS, C. D.; RODRIGUEZ-QUINTERO, J., 2017. Process-independent strong running coupling. Phys. Rev. D. Roč. 96, čís. 5. Dostupné online. 054026. 
  8. ↑ Review on Quantum Chromodynamics [online]. Particle Data Group. Dostupné online. 
  9. ↑ WILSON, Kenneth G. Confinement of Quarks. Physical Review D. 1974, roč. 10, čís. 8, s. 2445–2459. DOI 10.1103/PhysRevD.10.2445. Bibcode 1974PhRvD..10.2445W. 
  10. ↑ SCHÖN, Verena; MICHAEL, Thies. At the Frontier of Particle Physics. [s.l.]: [s.n.], 2000. ISBN 978-981-02-4445-3. DOI 10.1142/9789812810458_0041. S2CID 17401298. Bibcode 2001afpp.book.1945S. arXiv hep-th/0008175. Kapitola 2d Model Field Theories at Finite Temperature and Density (Section 2.5), s. 1945–2032. 
  11. ↑ LAKE, Bella; TSVELIK, Alexei M.; NOTBOHM, Susanne; TENNANT, D. Alan; PERRING, Toby G.; REEHUIS, Manfred; SEKAR, Chinnathambi. Confinement of fractional quantum number particles in a condensed-matter system. Nature Physics. 2009, roč. 6, čís. 1, s. 50–55. DOI 10.1038/nphys1462. Bibcode 2010NatPh...6...50L. arXiv 0908.1038. 
  12. ↑ CLAUDSON, M.; FARHI, E.; JAFFE, R. L. Strongly coupled standard model. Physical Review D. 1 August 1986, roč. 34, čís. 3, s. 873–887. DOI 10.1103/PhysRevD.34.873. PMID 9957220. 
  13. ↑ CAHILL, Kevin. Example of Color Screening. Physical Review Letters. 1978, roč. 41, čís. 9, s. 599–601. DOI 10.1103/PhysRevLett.41.599. Bibcode 1978PhRvL..41..599C. 

Související články

  • Lundský strunový model
  • Silový tensor gluonového pole
  • Asymptotická volnost
  • Středový vír
  • Duální model supravodivosti
  • Funkce beta (fyzika)
  • Mřížková kalibrační teorie
  • Yangova–Millsova existence a hmotnostní mezera

Zdroj