Cromodinamica quantistica (QCD), in fisica, la teoria che descrive l'azione della forza forte. Il QCD è stato costruito in analogia con l'elettrodinamica quantistica (QED), la teoria dei campi quantistici della forza elettromagnetica. In QED le interazioni elettromagnetiche di particelle cariche sono descritte attraverso l'emissione e il successivo assorbimento di fotoni senza massa, meglio noti come le "particelle" di luce; tali interazioni non sono possibili tra particelle cariche, elettricamente neutre. Il fotone è descritto in QED come la particella "portatore di forza" che media o trasmette la forza elettromagnetica. Per analogia con la QED, la cromodinamica quantistica prevede l'esistenza di particelle portatrici di forza chiamate gluoni, che trasmettono la forza forte tra particelle di materia che portano "colore", una forma di forte "carica". La forza forte è quindi limitata nel suo effetto al comportamento delle particelle subatomiche elementari chiamate quark e delle particelle composite costruite dai quark - come i protoni familiari e i neutroni che compongono i nuclei atomici, così come le particelle instabili più esotiche chiamate mesoni.
particella subatomica: cromodinamica quantistica: descrizione della forza forte
Già nel 1920, quando Ernest Rutherford nominò il protone e lo accettò come una particella fondamentale, era chiaro che l'elettromagnetico
Nel 1973 il concetto di colore come fonte di un "campo forte" è stato sviluppato nella teoria del QCD dai fisici europei Harald Fritzsch e Heinrich Leutwyler, insieme al fisico americano Murray Gell-Mann. In particolare, hanno impiegato la teoria del campo generale sviluppata negli anni '50 da Chen Ning Yang e Robert Mills, in cui le particelle portatrici di una forza possono esse stesse irradiare ulteriori particelle portanti. (Questo è diverso dal QED, in cui i fotoni che trasportano la forza elettromagnetica non irradiano ulteriori fotoni.)
Nel QED esiste un solo tipo di carica elettrica, che può essere positiva o negativa: in effetti, ciò corrisponde alla carica e all'anticarica. Per spiegare il comportamento dei quark in QCD, al contrario, ci devono essere tre diversi tipi di carica di colore, ognuno dei quali può verificarsi come colore o anticolore. I tre tipi di carica sono chiamati rosso, verde e blu in analogia con i colori primari della luce, sebbene non vi sia alcuna connessione con il colore nel senso comune.
Le particelle di colore neutro si presentano in due modi. Nei barioni - particelle subatomiche costruite da tre quark, come, ad esempio, protoni e neutroni - i tre quark hanno ciascuno un colore diverso e una miscela dei tre colori produce una particella neutra. I mesoni, d'altra parte, sono costruiti da coppie di quark e antiquark, le loro controparti di antimateria, e in questi l'anticolor dell'antichark neutralizza il colore del quark, così come le cariche elettriche positive e negative si annullano a vicenda per produrre un elettricamente neutro oggetto.
I quark interagiscono attraverso la forza forte scambiando particelle chiamate gluoni. Contrariamente a QED, dove i fotoni scambiati sono elettricamente neutri, anche i gluoni di QCD portano cariche di colore. Per consentire tutte le possibili interazioni tra i tre colori dei quark, ci devono essere otto gluoni, ognuno dei quali porta generalmente una miscela di un colore e un anticolore di diverso tipo.
Poiché i gluoni portano colore, possono interagire tra loro e questo rende il comportamento della forza forte leggermente diverso dalla forza elettromagnetica. QED descrive una forza che può estendersi attraverso infiniti tratti di spazio, sebbene la forza si indebolisca all'aumentare della distanza tra due cariche (obbedendo a una legge quadrata inversa). Nel QCD, tuttavia, le interazioni tra gluoni emessi dalle cariche di colore impediscono che tali cariche vengano separate. Invece, se viene investita energia sufficiente nel tentativo di far fuoriuscire un quark da un protone, ad esempio, il risultato è la creazione di una coppia quark-antiquark - in altre parole, un mesone. Questo aspetto del QCD incarna la natura osservata a corto raggio della forza forte, che è limitata a una distanza di circa 10-15 metri, più corta del diametro di un nucleo atomico. Spiega anche l'apparente confinamento dei quark, cioè sono stati osservati solo in stati compositi legati nei barioni (come protoni e neutroni) e nei mesoni.
