Cromodinamica quantistica: differenze tra le versioni

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Successivamente, nel [[1953]], fu necessario introdurre un ulteriore numero quantico, la [[stranezza]], proposto da [[Murray Gell-Mann]] e [[Kazuhiko Nishijima]] in particolare per spiegare la vita media abnormalmente lunga di alcune particelle. Gell-Mann e [[Yuval Ne'eman]] fecero l'ulteriore ipotesi che la stranezza e l'isospin si potessero combinare in un gruppo di simmetria più grande. Questa ipotesi fu battezzata "Eightfold way" (la ottuplice via) perché questo [[gruppo di simmetria]], detto [[SU(3)]], ha otto [[generatori]] indipendenti. Essa comporta in particolare che gli adroni formino [[multipletti]], ossia gruppi aventi proprietà correlate e massa simile. Gell-Mann e [[George Zweig]] proposero nel 1963 che questa struttura fosse dovuta al fatto che gli adroni sono formati combinando tre costituenti più fondamentali, chiamati [[Quark (particella)|quark]] da Gell-Mann e ''ace'' da Zweig, ciascuno dei quali si trasforma secondo la [[rappresentazione fondamentale]] del gruppo SU(3).

A questo punto una particella, la Δ++, rimaneva misteriosa; nel modello a quark essa risulta composta da tre [[quark up]] con spin paralleli. Comunque, poiché i quark sono [[fermioni]], questa combinazione sembrava violare il [[principio di esclusione di Pauli]]. Nel 1965 [[Moo-Young Han]] e [[Yōichirō Nambu]] risolsero il problema proponendo che i quark possedessero un grado di libertà di gauge [[SU(3)]] aggiuntivo, in seguito chiamata [[carica di colore]]. Essi notarono che i quark possono interagire per via di un ottetto di bosoni vettori di gauge: i [[gluoni]].

Poiché la ricerca di quark liberi era costantemente fallita, si pensò che i quark fossero semplicemente dei costrutti matematici inventati ad hoc e non delle particelle realmente esistenti. [[Richard Feynman]] argomentò che esperimenti ad alta energia mostravano che i quark erano reali: egli li chiamò ''partoni'', in quanto ''parte'' degli adroni. [[James Bjorken]] propose che certe relazioni potessero persistere nello [[Scattering anelastico profondo|scattering profondamente anelastico]] (diffusione profondamente anelastica) di [[elettrone|elettroni]] e [[protoni]], cosa che fu dimostrata con spettacolarità in esperimenti condotti nel 1969 presso lo [[SLAC]] (Stanford Linear Accelerator Center).

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=== Terminologia ===

Il termine quark è stato coniato da Murray Gell-Mann ispirato dalla frase "Three quarks for Muster Mark" che si trova nel romanzo ''Finnegans Wake'' di James Joyce.

ILa tre tipi di[[Carica (fisica)|carica]] nellaassociata QCD,all'interazione vengonoforte comunementeè denominatistata chiamata [[carica di colore]];, idi cui esistono tre coloritipi, sonodenominati ilcon i colori rosso, il verde ed il blu. eTale denominazione non hannoha nulla a che vedere con i colori percepiti dall'occhio umano;, ma si tratta semplicemente di una terminologia di fantasia dato che in qualche modo bisognava pur chiamare questo tipo di "carica". Dal momento che la teoria della [[carica elettrica]] ha preso il nome di "elettrodinamica", il termine greco "croma" (Χρώμα, colore) è stato applicato alla teoria della carica di colore, cioèdando luogo al termine "cromodinamica".

=== Alcune definizioni ===

Ogni aspetto teorico della [[fisica delle particelle]] è basato su certe ''simmetrie'' della natura la cui esistenza è dedotta dalle osservazioni sperimentali. Le simmetrie possono essere:

* '''Simmetria locale''', un tipo di simmetria che agisce indipendentemente in ogni punto dello [[spazio-tempo]]. Tutte le simmetrie di questo tipo si basano sulle [[teoria di gauge|teorie di gauge]] e richiedono l'introduzione di un proprio [[bosone di gauge]].

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=== I campi ===

I quark sono [[fermioni]] aventi massa e spin 1/2 che trasportano una carica di colore la cui misurazione è il contenuto della QCD. I quark sono rappresentati dai [[campo di Dirac|campi di Dirac]] nella rappresentazione fondamentale 3 del gruppo di gauge SU(3). Essi sono anche dotati di una carica elettrica (-1/3 o 2/3) e partecipano all'interazione debole come parte di un doppio isospin. Essi possiedono numeri quantici che includono il [[numero barionico]] (che è 1/3 per ogni quark), l'[[ipercarica]] ed uno dei numeri quantici di [[sapore (fisica)|sapore]].

I [[gluoni]] sono [[bosone (fisica)|bosoni]] con spin 1 ed anch'essi sono [[Portatore di carica|portatori di carica]] di colore cosicché si posizionano nella rappresentazione aggregata 8 del SU(3). Non possiedono carica elettrica, non partecipano ai processi di [[interazione debole]] e non hanno sapore. Si posizionano nella rappresentazione singola 1 di tutti questi gruppi simmetrici.

Ogni quark ha il suo anti-quark. La carica di ogni anti-quark è esattamente l'opposto della carica del corrispondente quark.

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La Lagrangiana della QCD, considerata senza colore, sapore e spin, assomiglia molto a quella dell'elettrodinamica quantistica:

:<math>L = -\frac{1}{4} F_{\mu\nu} F^{\mu\nu} + \overline{\psi}(i\gamma_\mu D^\mu - m)\psi</math>

dove '''F''' rappresenta il [[tensore]] del campo del gluone, ''ψ'' il campo del quark e '''D''' la derivativa covariante. Parte di questo contenuto entra nelle [[Richard Feynman|regole di Feynman]] che dice che tutti i processi che si svolgono all'interno della teoria possono essere ricondotti ai vertici, ossia alle interazioni elementari ''qqg'', ''ggg'' e ''gggg''. In parole povere, un quark può emettere ed assorbire un gluone, un gluone può emettere ed assorbire un altro gluone e due o più gluoni possono interagire direttamente tra loro, formando una [[glueball]]. Nella QED, invece, può verificarsi soltanto il primo tipo di vertice, dal momento che i fotoni non hanno carica.

== Applicazioni ==

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=== Teorie efficaci ===

La QCD descrive una varietà di fenomeni vastissima, dalle reazioni nucleari nelle stelle alla formazione dei protoni,; si essatratta èdi una teoria molto ricca edcon inun’elevata cuicomplessità idei calcoli sono molto complicati.<ref>{{Cita web|url=https://wwwwww8.edx.org/course/effective-field-theory-mitx-8-eftx|titolo=Effective Field Theory|sito=edX|lingua=en|accesso=2019-09-14|dataarchivio=11 agosto 2016|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20160811075114/https://www.edx.org/course/effective-field-theory-mitx-8-eftx|urlmorto=sì}}</ref> Tuttavia, se si è interessati a studiare una specifica categoria di processi talvolta è possibile sviluppare [[Modelli efficaci|teorie efficaci]] che catturino gli aspetti più importanti della QCD per quella categoria. In questo modo si è in grado di fornire predizioni molto accurate con una mole di calcoli più ristretta rispetto alla teoria completa, al costo però di avere risultati accurati solo per quella specifica categoria.

Tra le teorie efficaci più usate si possono considerare la [[teoria delle perturbazioni chirale]], dove le particelle fondamentali sono gli [[adroni]], stati legati di quark come i [[Pione|pioni]], e le masse dei quark sono considerate trascurabili, la HQET, '''Heavy Quark Effective Theory''' (teoria effettiva dei quark pesanti), in cui la massa del quark più pesante coinvolto nel processo (solitamente il [[Quark top|top]] o il [[Quark bottom|bottom]]) si considera quasi infinita e la [[Soft Collinear Effective Theory|SCET]] (teoria effettiva delle particelle collineari o poco energetiche), che descrive l'emissione soffice e collineare di particelle molto energetiche ed è oggi ampiamente utilizzata per il calcolo di processi ad [[Large Hadron Collider|LHC]].<ref>{{Cita web|url=http://web.mit.edu/physics/research/npt/areas.html#sm|titolo=THE STANDARD MODEL AND BEYOND|accesso=2019-09-14|dataarchivio=4 giugno 2016|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20160604222716/http://web.mit.edu/physics/research/npt/areas.html#sm|urlmorto=sì}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://theory.lbl.gov/~cwbauer/Homepage/Research.html|titolo=Research|accesso=2019-09-14|urlmorto=sì}}</ref>

=== Test sperimentali ===