量子色动力学

量子色动力学

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量子色动力学（英语：Quantum Chromodynamics，简称QCD）是一个描述夸克胶子之间强相互作用的标准动力学理论，它是粒子物理标准模型的一个基本组成部分。夸克是构成重子（质子、中子等）以及介子（π、K等）的基本单元，而胶子则传递夸克

之间的相互作用，使它们相互结合，形成各种核子和介子，或者使它们相互分离，发生衰变等。

量子色动力学是规范场论的一个成功运用，它所对应的规范群是非阿贝尔的

群，群量子数被称为“颜色”或者“色荷”。

每一种夸克有三种颜色，对应着群的基本表示。胶子是作用力的传播者，有八种，对应着

群的伴随表示。这个理论的动力学完全由

它的规范对称群决定。

目录

[隐藏]

▪ 1 历史

▪ 2 理论

▪ 3 微扰量子色动力学

▪ 4 非微扰量子色动力学

▪ 5 参考文献

▪ 6 外部链接

[编辑]历史

静态夸克模型建立之后，在重子质量谱和重子磁矩方面取得了巨大成功。但是，某些由

一种夸克组成的粒子的存在，如等，与物理学的基本假设广义泡利原理矛盾。为解决这个问题，物理学家引入了颜色自由度，并且颜色最少有3种。这个时候颜色还只是引入的某种量子数，并没有被认为是动力学自由度。

静态夸克模型建立之后，经历了十年左右的各种实验，都没有发现分数电荷的自旋

的夸克存在，物理学家被迫接受了夸克是禁闭在强子内部的现实。然而，美国的斯坦福直线加速器中心SLAC在七十年代初进行了一系列的轻强子深度非弹性散射实验，发现强子的结构函数具有比约肯无标度性(Bjorken Scaling)。为解释这个令人惊奇的结果，费曼由此提出了部分子模型，假设强子是由一簇自由的没有相互作用的部分子组成的，就可以自然的解释比约肯无标度性(Bjorken Scaling)。更细致的研究确认了部分子的自旋为

，并且具有分数电荷。

部分子模型和静态夸克模型都取得了巨大成功，但是两个模型对强子结构的描述有严重的冲突，具体来讲就是夸克禁闭与部分子无相互作用之间的冲突。这个问题的真正解决要等到渐近自由的发现。格娄斯，韦尔切克和休·波利策的计算表明，非阿贝尔规范场论中夸克相互作用强度随能标的增加而减弱，部分子模型的成功正预示着存在

的规范相互作用，N自然的就解释为原先夸克模型中引入的新自由度--颜色。

[编辑]理论

拉氏密度为

其中

是狄拉克矩阵

是夸克场（下标ij表示不同的味）是协変微分

是SU(3)耦合常数

是SU(3)的生成元盖尔曼矩阵(a=1,...8种）

是胶子场

是规范胶子场张量是SU(3)的结构常数

[编辑]微扰量子色动力学

在反应过程有一个大的能标的时候，量子色动力学耦合常数

小于1，可以将反应截面展开为

的幂级数，这种处理量子色动力学的方法叫做微扰量子色动力学[1]。

微扰量子色动力学首先被应用到轻子强子深度非弹性散射，计算轻子部分子散射过程的高阶修正，成功解释了比约肯无标度性(Bjorken Scaling)因为能标的变化导致的微小破坏。这坚定了物理学家的信心，相信量子色动力学是描述强相互作用的正确理论。70到80年代微扰量子色动力学推广到其他各种高能反应过程，如

产生强子的反应，强子强子对撞产生双轻

子过程，以及强子强子对撞产生大横动量强子的过程，所得结果与实验在许多个数量级的层次上是符合的。

理论方面，微扰量子色动力学也有许多新的成果。为处理高阶修正

产生的发散（也就是高阶修正在某些情况下趋近于无穷大），人们发展了QCD因子化定理，将发散吸收到普适的部分子分布函数或者部分子碎裂函数中。人们利用计算机和符号计算软件，将微扰量子色动力学推进到

3圈的精度，也就是的修正。计算到这个精

度，需要处理几万甚至几十万个费曼图，需要用高性能计算机，更重要的是高效率高智能的符号计算软件。这方面的进展，是人类通过机器扩展自己能力极限的惊人之作。

[编辑]非微扰量子色动力学

未解决的物理学问题:

▪量子色动力学的

非微扰方法:在涉及

到描述原子核的能量

尺度范围，量子色动

力学的方程无法解

析，虽然格点量子色

动力学（lattice

QCD）貌似可以给出

在这极限的解答。那

么，量子色动力学怎

样描述核子与核子内

部组构的物理现象

呢？

▪夸克禁闭:为什

么所有实验，都只能

观测到从夸克或胶子

建成的粒子，像介子

或重子，而无法观测

到自由存在的夸克或

胶子？这现象是怎样

从量子色动力学里面

出现[2]？

▪夸克物质：量子

色动力学预测，在高

温与高密度状况，会

形成夸克-胶子等离

子体。请问这物质态

的性质为何？

在低能标下，强相互作用强度很强，微扰方法就失效了，迄今还没有切实有效的解析方法可以处理，而最为常见有效的还是通过肯尼斯·威尔逊等人提出的格点场论（Lattice QCD)进行数值模拟来求解。

[编辑]参考文献

1^ Muta, T. FOUNDATIONS OF QUANTUM CHROMODYNAMICS, World Scientific Lecture Notes in Physics - Vol. 78. World Scientific Publishing Co..

2009. ISBN978-981-279-353-9.

2^T.-Y. Wu, W.-Y. Pauchy Hwang. Relativistic quantum mechanics and quantum fields. World Scientific. 1991: 321. ISBN9810206089.

[编辑]外部链接

▪Particle data group

▪The millennium prize for proving confinement

▪Ab Initio Determination of Light Hadron Masses

▪Andreas S Kronfeld The Weight of the World Is Quantum