Erős kölcsönhatás (QCD) — a kvarkokat és gluonokat összetartó magerő
Erős kölcsönhatás (QCD): fedezd fel, hogyan tartják össze a kvarkokat és gluonokat a magerő, a színkorlátozás és a nukleáris erő működése.
Az erős kölcsönhatás (vagy erős magerő) a négy alapvető erő egyike. A többi az elektromágnesesség, a gyenge kölcsönhatás és a gravitáció. Azért nevezik őket alapvető erőknek, mert jelenleg nem lehet őket egyszerűbb kölcsönhatásokkal leírni.
Az erős magerő tartja össze a legtöbb közönséges anyagot. Bár ez a legerősebb alapvető erő — a gravitációnál nagyjából 10^38-szor erősebb — hatása rövid távolságra korlátozódik: néhány femtométerre (1 fm = 10−15 m). Ennek megfelelően a nukleáris és szubatomi méretekben játssza a fő szerepet.
Színerő, magerő: két skála
A tudósok gyakran megkülönböztetik az erős kölcsönhatás két megnyilvánulását: a színerőt és a magerőt. A színerő nagyon rövid, körülbelül 0,8 fm vagy annál kisebb távolságon belül tartja össze a szubatomi részecskéket, például a protonokat és a neutronokat. Az 1–3 fm közötti távolságokon a részecskék közötti maradék (vagy „reziduális”) kölcsönhatás az, amit általában nukleáris erőnek neveznek: ez köti össze az atommagokat.
Kvarkok, színek és a gluonok szerepe
Az erős kölcsönhatást a legtöbb modern elmélet — a kvantumkromodinamika (QCD) — a kvarkok és a gluonok közötti kölcsönhatásokból vezeti le. A QCD szerint a kvarkoknak egy speciális tulajdonsága van, amit színtöltésnek (color charge) nevezünk; ez hasonló szerepű az elektromos töltéshez, de háromféle „szín” létezik (köznapi leírásban: piros, zöld, kék) és ezek antiszínei.
A gluonok az erős kölcsönhatás közvetítő részecskéi: a kvarkok között gluoncserével adódik át az erő. Ellentétben a fotonnal (az elektromágneses kölcsönhatás közvetítőjével), a gluonok maguk is rendelkeznek színtöltéssel, ezért önmagukkal is kölcsönhatnak. Ennek az önkölcsönhatásnak fontos következményei vannak, például a kvarkok és gluonok viselkedésére különböző energiaskálákon.
Aszimptotikus szabadság és színkorlátozás (confinement)
Két, a QCD-re jellemző, egymást kiegészítő tulajdonságot érdemes kiemelni:
- Aszimptotikus szabadság: nagyon rövid távolságokon (vagy nagyon nagy energiákon) a kvarkok kölcsönhatása egyre gyengébb lesz — gyakorlatilag „szabadabbá” válnak. Ezt a jelenséget politikailag és elméletileg is fontos felfedezésnek tekintik (D. Gross, F. Wilczek és D. Politzer munkája vezetett a Nobel-díjhoz).
- Színkorlátozás (confinement): alacsony energiákon (nagyobb távolságokon) a kölcsönhatás erősödik: a kvarkok „össze vannak zárva”, ezért a természetben nem figyelünk meg szabad kvarkokat. Ehelyett csak színsemleges (color singlet) kombinációk léteznek, például háromkvarkos baryonok (pl. proton, neutron) vagy kvark–antikvark mezonok.
Matematikailag a QCD egy nem-Abéli gauge-elmélet (SU(3) szimmetria), és ez adja az önkölcsönható gluonok és a színkorlátozás mögötti okokat. Kísérletileg a mélyen rugalmas szétszórásos mérések, valamint a nagyenergiás ütközések során megfigyelt jet-struktúrák támasztják alá az aszimptotikus szabadságot.
A nukleáris erő mint maradékhajlam
Az erős erő közvetlenül csak a kvarkokra hat közvetlenül. Az hadronok (például protonok és neutronok) között észlelhető erő az erős kölcsönhatás maradéka: a nukleáris erő. Ennek az effektív erőnek egyik egyszerű modellje a Yukawa-potenciál, amelyet a közvetítő részecske (elsősorban a mezonok, például a pionok) tömege szabályoz. A nukleáris kötés tehát lényegében az erős kölcsönhatás „maradéka” a hadronok között.
Gyakorlati következmények és számítások
A QCD leírása a magas energiákon perturbatív módszerekkel kezelhető (együttműködik a kvark- és gluonsugárzások, jet-ek leírásában), de alacsony energiákon erősen nemlineáris és nemperturbatív viselkedést mutat. Az ilyen nemperturbatív tartomány vizsgálatára a számítástechnikailag intenzív rács-QCD (lattice QCD) módszert alkalmazzák, amely numerikusan képes kiszámítani például a hadronok tömegeit és egyes kölcsönhatási mátrixelemeit.
A QCD megértése kritikus a részecske- és magfizikában, mert magyarázza a proton és neutron tömegének nagy részét (noha a kvarkok nyugalmi tömege kicsi, a kötési energiák adják a tömeg túlnyomó részét), és alapja a nagy energiájú részecskefizikai jelenségeknek, valamint a nukleáris kötéseknek.
Röviden: az erős kölcsönhatás az a fundamentális erő, amely a kvarkokat és gluonokat összetartja, és ennek a dinamizmusnak a következményeként léteznek a protonok, neutronok, atommagok és végső soron a mindennapi anyag szerkezete.
Színes erős erő
Az erős erő az a magerő, amely a proton vagy neutron három kvarkja között hat. Azért nevezik színerős erőnek, mert az elektromágneses erőhöz hasonlóan az erős erőnek is vannak töltései. A fő különbség az, hogy az elektromágneses erőnek csak egy töltése van (a mágneses töltések csak lassan mozgó elektromos töltések), az erős erőnek pedig három. Ezt a háromféle töltést a színekről nevezték el: vörös, kék és zöld. Vannak ellenszíneik is: antivörös, antikék és antigörög. Az elektromágneses erőhöz hasonlóan az ellentétes színek vonzzák, az azonos színek pedig taszítják egymást. Néhány színnel töltött részecske a kvarkok és az antikvarkok. A kvark típusa egyáltalán nem függ össze az adott kvark színtöltésével. A kvarkok a jelenleg ismert legkisebb részecskék közé tartoznak; nem foglalnak helyet, mert pontok, és az egyetlen olyan részecske, amelyet még nem tudtunk más részecskékből szétbontani. Ez valójában azért van így, mert a részecskék közötti erős erő természete az, hogy annál erősebb lesz, minél távolabb vannak egymástól a részecskék. Az erős erő erőhordozóját gluonnak nevezik. A gluonok színnel is rendelkeznek. Mind a kvarkoknak, mind a gluonoknak vannak olyan tulajdonságaik, amelyek egyedivé teszik őket a többi részecskétől.
· 
A három kvark szín (piros, zöld, kék). Ezek együttesen fehér, vagy színtelen
· 
A három kvark-antiszín (antivörös, antigörög, antikék). Ezek együttesen színtelenek is; a fekete a fizikai anyagra vagy pigmentekre utaló esetben fekete.
· 
Az erős erő a proton és a neutron között a gluonokon keresztül mozog.
Nukleáris erő
A nukleáris erő vagy maradék (maradék) erős erő a hadronok (két vagy három kvarkból álló részecskék, pl. protonok és neutronok) között ható erős erő. Ez tartja össze az atommagot.
Kapcsolódó oldalak
- Részecskefizika
- Izotóp
- Nukleáris fizika
Kérdések és válaszok
K: Mi a négy alapvető erő a fizikában?
V: A fizika négy alapvető ereje az elektromágnesesség, a gyenge kölcsönhatás, a gravitáció és az erős magerő.
K: Miben különbözik az erős magerő a többi alapvető erőtől?
V: Az erős magerő sokkal erősebb, mint a gravitáció (1038-szor erősebb), de csak nagyon rövid, néhány femtométeres (fm) távolságokon működik. Összetartja az olyan szubatomi részecskéket, mint a neutronok és a protonok, és egyben tartja az atommagot is.
K: Mi az a kvantumkromodinamika?
V: A kvantumkromodinamika (QCD) egy elmélet, amely magyarázatot ad a különböző színekre. Azt mondja, hogy az erős erő a kvarkok és a gluonok között hat.
K: Hogyan működik a színkorlátozás?
V: A színkorlátozás akkor következik be, amikor egy kvark szétválasztásához olyan sok energiára lenne szükség, hogy helyette új hadronok jönnének létre. Ezt a jelenséget a részecskegyorsítókban lehet megfigyelni.
K: Milyen részecskék hordoznak színtöltést?
V: A kvarkok, antikvarkok és gluonok mind színtöltést hordoznak, ami hasonló az elektromos töltéshez.
K: Hogyan lépnek egymással kölcsönhatásba a színtöltéssel rendelkező részecskék?
V: A színes töltéssel rendelkező részecskék gluonokat cserélnek egymás között, ahogyan az elektromos töltéssel rendelkező részecskék is fotonokat cserélnek egymás között.
K: Mi történik, ha két kvarkokból álló hadron kölcsönhatásba lép egymással?
V: Amikor két kvarkokból álló hadron kölcsönhatásba lép egymással, az erős erőnek ezt a hatását nukleáris erőnek nevezik (ami nem alapvető erő).
Keres