الديناميكا اللونية الكمية QCD

توجد أربع قوى في الطبيعة وهي، الجاذبية كما تُرى في الحركة السماوية وتصفها النظرية العامة للنسبية، الكهرومغناطيسية كما تظهر في التفاعل بين النواة والإلكترونات، القوة الضعيفة التي تصف تحلل بيتا للنواة، حيث يتم توحيد القوة الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة في نظرية الضعف الكهربي، والقوة الشديدة التي تعمل بين الكواركات والغلوونات التي تشكل البروتونات والنيوترونات.

الديناميكا اللونية الكمومية

إن الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) في الفيزياء، هي النظرية التي تصف عمل قوة قوية، حيث تم إنشاء QCD الديناميكا الكهربائية الكمية، على غرار نظرية المجال الكمي (QED) للقوة الكهرومغناطيسية، ففي QED يتم وصف التفاعلات الكهرومغناطيسية للجسيمات المشحونة من خلال الانبعاث والامتصاص اللاحق للفوتونات عديمة الكتلة، والمعروفة باسم “جسيمات” الضوء، حيث أن هذه التفاعلات غير ممكنة بين الجسيمات المحايدة كهربائياً غير المشحونة.

يوصف الفوتون في (QED) باسم جسيم حامل القوة، الذي يتوسط أو ينقل القوة الكهرومغناطيسية عن طريق القياس مع (QED)، وتتنبأ الديناميكا اللونية الكمومية بوجود جسيمات حاملة للقوة تسمى (gluons)، والتي تنقل القوة الشديدة بين جسيمات المادة التي تحمل اللون، وهو شكل من أشكال” الشحن “القوي.

لذلك فإن تأثير القوة الشديدة يقتصر على سلوك الجسيمات دون الذرية الأولية التي تسمى الكواركات والجسيمات المركبة المكونة من الكواركات، مثل البروتونات والنيوترونات المألوفة التي تشكل النوى الذرية، وكذلك الجسيمات غير المستقرة الأكثر غرابة والتي تسمى الميزونات.

تم تطوير مفهوم اللون كمصدر للحقل القوي إلى نظرية QCD من قبل الفيزيائيين الأوروبيين هارالد فريتزش وهاينريش لوتويلر مع الفيزيائي الأمريكي موراي جيل مان، على وجه الخصوص، وظفوا نظرية المجال العام التي تم تطويرها في الخمسينيات من القرن الماضي تشن نينغ يانغ وروبرت ميلز، حيث يمكن للجسيمات الحاملة لقوة ما أن تشع المزيد من الجسيمات الحاملة، وهذا يختلف عن QED، حيث لا تشع الفوتونات التي تحمل القوة الكهرومغناطيسية مزيدًا من الفوتونات.

خصائص الديناميكا اللونية الكمومية (QCD)

• حبس اللون: نظرًا لأن القوة بين شحنتين لونيتين تظل ثابتة أثناء فصلهما، فإن الطاقة تنمو حتى يتم إنتاج زوج من الكوارك والكوارك المضاد تلقائيًا، مما يحول الهادرون الأولي إلى زوج من الهادرونات بدلاً من عزل شحنة اللون، وعلى الرغم من عدم إثباته من الناحية التحليلية، إلا أن حبس اللون مؤسس جيدًا من حسابات QCD الشبكية وعقود من التجارب.

• الحرية المقاربة: وهي انخفاض ثابت في قوة التفاعلات بين الكواركات والغلوونات مع زيادة مقياس الطاقة لتلك التفاعلات وانخفاض مقياس الطول المقابل، وتم اكتشاف الحرية المقاربة لـ QCD في عام 1973 بواسطة العالمان (David Gross و Frank Wilczek)، وبشكل مستقل بواسطة (David Politzer) في نفس العام، حيث شارك الثلاثة في جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2004 .

• كسر التناظر اللولبي: كسر التناظر العفوي لتماثل عالمي هو مهم للكواركات، وذلك نتيجة لتوليد كتل الهادرونات أعلى بكثير من كتل الكواركات، وجعل الميزونات الكاذبة خفيفة بشكل استثنائي.

لاغرانج والديناميكا اللونية الكمية

قام العالم لاغرانج بتطوير لاغرانج فعال لدراسة الهادرونات أحادية اللون والتي لها بعض الارتباط بالديناميكا اللونية الكمومية، حيث يفترض أن فراغ الديناميكا اللونية الكمية يحتوي على مكثف من أزواج غلوون، ونقدم معلمة ترتيب، التي تصف تعديل هذا المكثف في وجود الكواركات.

وبالإضافة إلى ذلك، قام العلماء يتطوير معلمة طلب أخرى تتعلق بدرجة حيادية اللون المحلي للنظام، حيث أن هناك مصطلحات حركية في لاغرانج الفعال لأول معلمات الترتيب هذه فقط، لذلك ينتج عن المشتق الوظيفي لـ (Lagrangian) الفعال فيما يتعلق بمعامل الدرجة الثانية معادلة قيد تحدد قيمة معلمة الدرجة الثانية من حيث تيار الكوارك (الملون) ومعلمة الترتيب chi (x).

اضطراب الديناميكا اللونية الكمية

وهي حقل فرعي لفيزياء الجسيمات يتم فيه دراسة نظرية التفاعلات القوية، والديناميكا اللونية الكمومية (QCD)، باستخدام حقيقة أن ثابت الاقتران القوي صغيرة في تفاعلات الطاقة العالية أو قصيرة المسافة، مما يسمح بتطبيق تقنيات نظرية الاضطراب، وفي معظم الظروف، يكون إجراء تنبؤات قابلة للاختبار باستخدام QCD أمرًا صعبًا للغاية، نظرًا للعدد اللامتناهي من التفاعلات الطوبولوجية غير المتكافئة المحتملة.

وعلى مسافات قصيرة، يكون الاقتران صغيرًا بدرجة كافية بحيث يمكن تقريب هذا العدد اللامتناهي من المصطلحات بدقة من خلال عدد محدود من المصطلحات، وعلى الرغم من محدودية النطاق، فقد أدى هذا النهج إلى أدق اختبارات QCD حتى الآن.

لا يمكن حساب معظم عمليات التفاعل القوي بشكل مباشر مع QCD المضطرب، حيث لا يمكن للمرء أن يلاحظ الكواركات الحرة والغلوونات بسبب حصر اللون، على سبيل المثال، هيكل الهادرونات له طبيعة غير مضطربة، ولحساب هذا طورت نظرية عامل QCD، التي تفصل المقطع العرضي إلى جزأين، وهما العملية التي تعتمد على الاضطراب القابل للحساب على مسافة قصيرة المقطع العرضي، والوظائف الشاملة للمسافات الطويلة.

ويمكن قياس وظائف المسافات الطويلة العالمية هذه بملاءمة عالمية للتجارب وتضمينها وظائف التوزيع الجزئي ووظائف التجزئة ووظائف الارتباط متعددة الأجزاء والتوزيعات الجزئية المعممة واتساع التوزيع المعمم وأنواع عديدة من عوامل الشكل، وهناك العديد من عمليات التعاون لكل نوع من وظائف المسافات الطويلة العالمية، قد أصبحوا جزءًا مهمًا من فيزياء الجسيمات الحديثة.

الديناميكا اللونية الكمية الشبكي

وتعتبر الديناميكا اللونية الكمية هي نظرية التفاعل بين الكوارك عن طريق الغلوونات، حيث أن الكواركات هي جسيمات أولية تتكون من الهادرونات المعقدة مثل البروتون والنيوترون، وهو نوع من نظرية المجال الكمي.