양자 색역학이란?

양자색역학_Qcd 필드 물리학

 

 

양자 색역학이란?

 

양자 색역학 또는 양자색소동역학은 강도를 설명하는 게이지 이론입니다. 색역학은 쿼크와 글루온을 도입하고 이것으로 구성된 강한 입자의 유형과 특성을 정확하게 예측합니다. Lie group US(3)에 기반을 두고 있으며 전기, 약리학 이론과 함께 표준 모형을 이룹니다.

 

 

수학적 구조

 

색역학은 US(3)에 기초한 게이지 이론입니다. 색역학의 기본 입자인 쿼크는 US(3)의 기본 표현 3을 따릅니다. 따라서 쿼크의 색은 3입니다. US(3)의 게이지 보선은 글루온입니다. SU(3)는 viabelian 그룹이며 글루온도 색상이 지정됩니다. SU(3)는 8차원이기 때문에 글루온은 총 8가지 색상을 갖습니다. 8종류의 US(3)의 색은 게르만 행렬로 US(2)의 기본 표현은 파울리 행렬로 나타냅니다.

 

 

특성

 

색역학은 두 가지 중요한 특성이 있습니다. 하나는 접근 자유이며 이는 높은 에너지 배포 또는 작은 거리 배포에서의 짝 링 상수가 더 작다는 것을 의미합니다. 즉, 재규격화된 그룹 베타 함수는 음수입니다. 4차원에서 재 표준화될 수 있는 이론 중에서 색채와 같은 게이지 이론만이 접근적 자유를 가집니다. 접근적 자유 때문에 색 역학은 쪽 입자 모델의 뵤르켄 축척을 설명합니다.

색채의 다른 중요한 특성은 색의 어둠입니다. 빛깔 어둠은 색상을 가진 입자, 즉 쿼크 및 글루온이 일일 에너지 배포에서 독립적으로 존재하지 않으며 무색의 할론에서만 관찰될 수 있는 특성입니다. 낮은 에너지에서는 무색의 입자(강한 입자)만 관찰되며 빛의 삼원색이 결합하여 흰색이 됩니다. 이론적으로 매우 높은 에너지에서는 색의 어둠이 깨질 수 있고 강한 입자가 분해되어 쿼크 글루온 플라스마를 형성할 수 있는데 이는 SU(3) 대칭을 직접 볼 수 있습니다. 쿼크 글루온 플라스마는 실제로 2000년에 실험적으로 관측되었습니다.

 

역사

 

양자색동역학이 채택되기 전에 강하게 기술된 부트스트랩 이론과 끈 이론이 있었습니다. 게이지 이론이 다시 표준화 도리 수 있는지는 아직 알려지지 않았으며 양자장 이론에 회의적이었고 비 필드 이론이 대중화되었습니다. 그러나 그러한 시도는 대게 불완전하고 예측할 수 없었습니다. 

머리 겔만과 조지 츠바이크는 첫 번째 쿼크 모형에서 강입자들의 질량을 기술하여 1969년 노벨 물리학상을 받았습니다. Boris Vladimirovich Stolminsky는 쿼크가 파울리 배타 우너리를 따르기 위하여 다른 양자수를 지녀야 하는 사실을 지적하였습니다. 이에 따라 한무영과 난부 요이치로, 오스카 월러스 그린버그가 이 양자수가 SU(3)을 따르는 색이라는 가설을 세웠습니다. 이에 한무영과 난부는 쿼크가 US(3)를 따르는 게이지 보손, 즉 글루온을 통해 상호작용을 한다고 유추하였고 여기에서 양자 색역학이 정립되었습니다.

양자 색역학은 쪽입자 모형과 같이 뵤르켄 축척을 대략 예측하지만 색역학의 점근 자유성을 발견하였습니다. 이들은 양자 색역학의 베타 함수를 계산하여 색역학의 값이 음수임을 증명하였습니다. 따라서 높은 에너지 눈금에서는 색역학 결합 상수가 역해지고 쿼크는 자유 입자처럼 행동합니다. 2004년 노벨 물리학상을 받았습니다.