Цветовое ограничение

В квантовой хромодинамике (КХД) ограничение цвета , часто называемое просто ограничением , представляет собой явление, при котором цветные заряженные частицы (такие как кварки и глюоны ) не могут быть изолированы и, следовательно, не могут наблюдаться непосредственно в нормальных условиях ниже температуры Хагедорна , составляющей приблизительно 2 теракельвина (что соответствует энергии приблизительно 130–140 МэВ на частицу). ^[1]^[2] Кварки и глюоны должны объединяться, чтобы образовать адроны . Два основных типа адронов — это мезоны ( один кварк, один антикварк) и барионы (три кварка). Кроме того, бесцветные глюболы, образованные только из глюонов, также согласуются с ограничением, хотя их трудно идентифицировать экспериментально. Кварки и глюоны не могут быть отделены от их родительского адрона без образования новых адронов. ^[3]

Источник

Пока еще нет аналитического доказательства ограничения цвета в какой-либо неабелевой калибровочной теории . Это явление можно понять качественно, заметив, что переносящие силу глюоны КХД имеют цветовой заряд, в отличие от фотонов квантовой электродинамики (КЭД). В то время как электрическое поле между электрически заряженными частицами быстро уменьшается по мере того, как эти частицы разделяются, глюонное поле между парой цветных зарядов образует узкую трубку потока (или струну) между ними. Из-за такого поведения глюонного поля сильная сила между частицами постоянна независимо от их разделения. ^[4]^[5]

Поэтому, когда два цветовых заряда разделены, в какой-то момент становится энергетически выгодно, чтобы появилась новая пара кварк-антикварк , а не чтобы трубка удлинялась дальше. В результате этого, когда кварки производятся в ускорителях частиц, вместо того, чтобы видеть отдельные кварки в детекторах, ученые видят « струи » множества цветонейтральных частиц ( мезонов и барионов ), сгруппированных вместе. Этот процесс называется адронизацией , фрагментацией или разрывом струн .

Фаза ограничения обычно определяется поведением действия петли Вильсона , которая представляет собой просто путь в пространстве-времени , проложенный парой кварк-антикварк, созданной в одной точке и уничтоженной в другой точке. В неограничивающей теории действие такой петли пропорционально ее периметру. Однако в ограничивающей теории действие петли вместо этого пропорционально ее площади. Поскольку площадь пропорциональна разделению пары кварк-антикварк, свободные кварки подавляются. Мезоны разрешены в такой картине, поскольку петля, содержащая другую петлю с противоположной ориентацией, имеет лишь небольшую площадь между двумя петлями. При ненулевых температурах оператор порядка для ограничения представляет собой тепловые версии петель Вильсона, известные как петли Полякова .

Масштаб ограничения

Шкала ограничения или шкала QCD — это шкала, в которой пертурбативно определенная константа сильной связи расходится. Это известно как полюс Ландау . Определение и значение шкалы ограничения, таким образом, зависят от используемой схемы перенормировки . Например, в схеме MS-bar и в 4-петле при работе , мировое среднее в случае 3-ароматизатора определяется как ^[6] $\альфа _{с}$

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

Когда уравнение ренормгруппы решается точно, масштаб вообще не определяется. ^{[ необходимо разъяснение ]} Поэтому вместо этого принято указывать значение константы сильной связи в определенном эталонном масштабе.

Иногда полагают, что единственным источником ограничения является очень большое значение сильной связи вблизи полюса Ландау . Иногда это называют инфракрасным рабством (термин, выбранный для контраста с ультрафиолетовой свободой ). Однако это неверно, поскольку в КХД полюс Ландау нефизичен, ^[7]^[8] , что можно увидеть по тому факту, что его положение на шкале ограничения во многом зависит от выбранной схемы перенормировки , т. е. от соглашения. Большинство свидетельств указывают на умеренно большую связь, обычно имеющую значение 1-3 ^[7] в зависимости от выбора схемы перенормировки. В отличие от простого, но ошибочного механизма инфракрасного рабства , большая связь является лишь одним из ингредиентов ограничения цвета, другой заключается в том, что глюоны имеют цветовой заряд и поэтому могут коллапсировать в глюонные трубки.

Модели, демонстрирующие ограничение

В дополнение к КХД в четырех измерениях пространства-времени, двумерная модель Швингера также демонстрирует ограничение. ^[9] Компактные абелевы калибровочные теории также демонстрируют ограничение в 2 и 3 измерениях пространства-времени. ^[10] Ограничение было обнаружено в элементарных возбуждениях магнитных систем, называемых спинонами . ^[11]

Если бы масштаб нарушения электрослабой симметрии был понижен, ненарушенное взаимодействие SU(2) в конечном итоге стало бы ограничивающим. Альтернативные модели, в которых SU(2) становится ограничивающим выше этого масштаба, количественно похожи на Стандартную модель при более низких энергиях, но кардинально отличаются выше нарушения симметрии. ^[12]

Модели полностью экранированных кварков

Помимо идеи кваркового удержания, существует потенциальная возможность того, что цветовой заряд кварков полностью экранируется глюонным цветом, окружающим кварк. Были найдены точные решения классической теории Янга–Миллса SU(3), которые обеспечивают полное экранирование (глюонными полями) цветового заряда кварка. ^[13] Однако такие классические решения не учитывают нетривиальные свойства вакуума КХД . Поэтому значение таких решений полного глюонного экранирования для разделенного кварка неясно.

Смотрите также

Ссылки

^ Баргер, В.; Филлипс, Р. (1997). Физика коллайдера . Эддисон–Уэсли . ISBN 978-0-201-14945-6.
^ Гринсайт, Дж. (2011). Введение в проблему ограничения . Конспект лекций по физике. Том 821. Springer . Bibcode : 2011LNP...821.....G. doi : 10.1007/978-3-642-14382-3. ISBN 978-3-642-14381-6.
^ Wu, T.-Y.; Hwang, Pauchy W.-Y. (1991). Релятивистская квантовая механика и квантовые поля . World Scientific . стр. 321. ISBN 978-981-02-0608-6.
^ Мута, Т. (2009). Основы квантовой хромодинамики: Введение в пертурбативные методы в калибровочных теориях. Lecture Notes in Physics . Vol. 78 (3rd ed.). World Scientific . ISBN 978-981-279-353-9.
^ Смилга, А. (2001). Лекции по квантовой хромодинамике. World Scientific . ISBN 978-981-02-4331-9.
^ "Обзор квантовой хромодинамики" (PDF) . Группа данных о частицах .
^ ab A. Deur, SJ Brodsky и GF de Teramond, (2016) «Бегущая связь QCD» Prog. Часть. Ядерная физика 90 , 1
^ D. Binosi, C. Mezrag, J. Papavassiliou, CD Roberts и J. Rodriguez-Quintero, (2017) «Независимая от процесса сильная динамическая связь» Phys. Rev. D 96 , № 5, 054026
^ Уилсон, Кеннет Г. (1974). «Удержание кварков». Physical Review D. 10 ( 8): 2445–2459. Bibcode : 1974PhRvD..10.2445W. doi : 10.1103/PhysRevD.10.2445.
^ Шён, Верена; Михаэль, Тис (2000). «2d Model Field Theories at Finite Temperature and Density (Section 2.5)». В Шифман, М. (ред.). At the Frontier of Particle Physics . pp. 1945–2032. arXiv : hep-th/0008175 . Bibcode :2001afpp.book.1945S. CiteSeerX 10.1.1.28.1108 . doi :10.1142/9789812810458_0041. ISBN 978-981-02-4445-3. S2CID 17401298.
^ Лейк, Белла; Цвелик, Алексей М.; Нотбом, Сюзанна; Теннант, Д. Алан; Перринг, Тоби Г.; Рихейс, Манфред; Секар, Чиннатамби; Краббс, Гернот; Бюхнер, Бернд (2009). «Удержание частиц с дробным квантовым числом в системе конденсированного состояния». Nature Physics . 6 (1): 50–55. arXiv : 0908.1038 . Bibcode :2010NatPh...6...50L. doi :10.1038/nphys1462. S2CID 18699704.
^ Клодсон, М.; Фархи, Э.; Джаффе, Р.Л. (1 августа 1986 г.). «Сильно связанная стандартная модель». Physical Review D. 34 ( 3): 873–887. Bibcode : 1986PhRvD..34..873C. doi : 10.1103/PhysRevD.34.873. PMID 9957220.
^ Кэхилл, Кевин (1978). «Пример цветового скрининга». Physical Review Letters . 41 (9): 599–601. Bibcode : 1978PhRvL..41..599C. doi : 10.1103/PhysRevLett.41.599.