Fargekraft

Partikkelfysikk
Teorier
Standardmodellen
Kvantemekanikk
Kvantefeltteori (QFT)
Kvanteelektrodynamikk (QED)
Kvantekromodynamikk (QCD)
Den spesielle relativitetsteorien
Vekselvirkning
Sterk kjernekraft
Elektromagnetisme
Svak kjernekraft
Gravitasjon
Fargekraft
Elementærpartikler
Fermioner
Kvarker
Oppkvark
Nedkvark
Særkvark
Sjarmkvark
Bunnkvark
Toppkvark
Leptoner
Elektron
Positron
Nøytrino
Myon
Tau
Bosoner
Gauge-bosoner
Foton
W- og Z-bosoner
Gluon
Graviton
Higgs-boson
Sammensatte partikler
Hadroner
Mesoner
Pion
Baryoner
Proton
Nøytron
Atomkjerner
Atomer
Molekyler
Egenskaper
Energi
Bevegelsesmengde
Elektrisk ladning
Spinn
Paritet
Isospinn
Svakt isospinn
Fargeladning
Kjernefysikk Atom

Fargekraft er betegnelsen på den fundamentalkraften som binder sammen kvarkene. Den betegnes også sterk vekselvirkning. Den gjør at kvarkene ikke kan eksistere ubundet og bygger opp baryoner som består av tre kvarker og har halvt heltalls spinn (for eksempel et nøytron eller et proton) og mesoner som består av en kvark og en antikvark med heltalls spinn. Den virker ikke på andre partikkeltyper som leptoner (f.eks elektronet) og fotonet.

Fargekraften regnes som en av fire grunnleggende krefter i naturen. De tre andre er svak kjernekraft, elektromagnetisme og tyngdekraft. Det er den langt sterkeste fundamentalkraften, og på avstander innen for eksempel et proton er den typisk 60 ganger sterkere enn elektomagnetisme. Kraften formidles av gluoner.

Oversikt

Kvantekromodynamikken (QCD) beskriver den vekselvirkningen som gir opphav til fargekraften. Grunnleggende har den opphav i tre typer fargeladning som kan bæres av en kvark. Dette har en slags analogi med primærfargene (rødt, grønt og blått), herav navnet. Som flere betegnelser innen partikkelfysikken har det ingen annen sammenheng med begrepet farge slik det brukes i dagligtale. Antikvarker har fargeladninger antirød, antigrønn og antiblå. Fargeladningen for enhver kvark beskrives av et trilling-spinorfelt ψ, eller for antikvarker, den komplekse konjugerte:

$\psi ={\begin{pmatrix}\psi _{1}\\\psi _{2}\\\psi _{3}\end{pmatrix}}$  og  ${\overline {\psi }}={\begin{pmatrix}{\overline {\psi }}_{1}^{*}\\{\overline {\psi }}_{2}^{*}\\{\overline {\psi }}_{3}^{*}\end{pmatrix}}$

Hadroner (baryoner og mesoner) er alltid fargeløse. Dette skjer ved at baryoner må bestå av tre kvarker som til sammen har nøytral fargeladning. Mesoner består av en kvark og en antikvark, med farge og "antifarge" som til sammen er fargenøytralt. Utenfor hadronet og mesonet faller effekten av fargekraften svært raskt. Den sterke kjernekraften er en residuell kraft av Fargekraften. Den kan sees som en ubalanse i fargeladningen som gir en resteffekt utenfor partikkelen og som dermed kan koples til tilsvarende i nabopartiklene i atomkjernen, men ikke med partikler lengre unna. Den sterke kjernekraften som fremtrer på grunn av asymmetri i fargeladning og virker mellom baryoner (nukleoner) formidles ikke av gluoner, men mesoner.

QCD har to svært paradoksale egenskaper:

• Innelukking som beskriver at kraften ikke avtar med avstanden som de andre fundamentalkreftene, men er konstant over lange avstander. Dette antas beskrevet ved at feltet begrenses til et streng-lignende "fluks-rør" som yter motstand når det strekkes. Beregnet verdi er omkring 104 N. Det vil derfor kreve svært stor energi å separere kvarkene, og denne energien vil selv på små avstander være tilstrekkelig til å danne et nytt partikkelpar (energien går over til masse i nye partikler). Fargekraften begrenses derfor til en avstand på ca. 10⁻¹⁵ m.
• Asymptotisk frihet sier at vekselvirkningen mellom kvarker og gluoner avtar for svært høye energinivåer. Det medfører også at det ved ekstreme trykk og temperaturer kan dannes et såkalt kvark-gluon plasma der kvarker og gluoner blir frie partikler.

Det er dermed slik at vekselvirkningen er svakere når partiklene er svært nær, og den øker med avstanden. En mulig måte å forestille seg dette på er som en elastisk ballong. Så lenge partiklene er inne i ballongen kan de bevege seg relativt fritt, men når de forsøker å trenge ut blir motstanden sterk.

Vekselvirkningen mellom fargeladningene formidles ved gluoner. Disse er en type virtuelle vekselvirkningsbosoner som kalles vektor gauge bosoner. QCD er derfor en såkalt Yang-Mills gauge-teori med gaugegruppe $SU(3)$. At gluonet er virtuelt betyr at partikkelen ikke skal oppfattes som en virkelig selvstendig partikkel men utsendes og opptas innenfor grenser begrenset av usikkerhetsrelasjonen. Gluonet er masseløst (men bærer energi). I likhet med fotonet kan det derfor vekselvirke over lang avstand. Men gluonene er i seg selv begrenset av innelukking, og vil kun eksistere innenfor et baryon.

Gluonet bærer selv fargeladning, både farge og antifarge, og kan derfor også vekselvirke med andre gluoner. Hver vekselvirkning mellom kvark-gluon og gluon-gluon er i seg selv fargenøytral. Fordi fargeladningen er en trilling beskriver QCD gauge teori vekselvirningen med en ikke-abelsk gruppe SU(3). Noe forenklet betyr dette at:

• Teorien involverer matematiske operasjoner som ikke er kommutative, dvs $a\times b\neq b\times a$
• Vekselvirkningen beskrives av en såkalt spesiell enhets-gruppe av orden 3, SU(3), og består av komplekse 3x3 matriser med determinant 1.
• Det er 8 typer gluoner, i samsvar med at gaugegruppa har åtte generatorer.

Ved høy energi kan man bruke såkalt perturbasjonsteori for å gjøre teoretiske beregninger. Men ved lav energi er det svært vanskelig å gjøre beregninger for fargekraft i et kontinuerlig tidrom, og man opererer derfor med diskretiserte gittermodeller, såkalt Gitter-QCD (eng. Lattice-QCD) som viser samsvar med eksperimentelle resultater.