Chromodynamique quantique (QCD), en physique, la théorie qui décrit l'action de la force forte. La QCD a été construite par analogie avec l'électrodynamique quantique (QED), la théorie du champ quantique de la force électromagnétique. Dans le QED, les interactions électromagnétiques des particules chargées sont décrites par l'émission et l'absorption subséquente de photons sans masse, mieux connus sous le nom de «particules» de lumière; de telles interactions ne sont pas possibles entre des particules électriquement neutres non chargées. Le photon est décrit dans QED comme la particule «porteuse de force» qui assure la médiation ou la transmission de la force électromagnétique. Par analogie avec le QED, la chromodynamique quantique prédit l'existence de particules porteuses de force appelées gluons, qui transmettent la force forte entre les particules de matière qui portent la «couleur», une forme de «charge» forte. La force forte est donc limitée dans son effet au comportement des particules subatomiques élémentaires appelées quarks et des particules composites construites à partir de quarks - comme les protons et neutrons familiers qui composent les noyaux atomiques, ainsi que les particules instables plus exotiques appelées mésons.
particule subatomique: chromodynamique quantique: description de la force forte
Dès 1920, quand Ernest Rutherford a nommé le proton et l'a accepté comme particule fondamentale, il était clair que le champ électromagnétique
En 1973, le concept de la couleur comme source d'un «champ fort» a été développé dans la théorie de la QCD par les physiciens européens Harald Fritzsch et Heinrich Leutwyler, en collaboration avec le physicien américain Murray Gell-Mann. En particulier, ils ont utilisé la théorie générale du champ développée dans les années 1950 par Chen Ning Yang et Robert Mills, dans laquelle les particules porteuses d'une force peuvent elles-mêmes irradier d'autres particules porteuses. (Ceci est différent du QED, où les photons qui transportent la force électromagnétique ne rayonnent pas d'autres photons.)
Dans QED, il n'y a qu'un seul type de charge électrique, qui peut être positive ou négative - en fait, cela correspond à la charge et à l'anti-charge. Pour expliquer le comportement des quarks dans QCD, en revanche, il doit y avoir trois types différents de charge de couleur, chacun pouvant se présenter sous forme de couleur ou d'anticolour. Les trois types de charges sont appelés rouge, vert et bleu par analogie avec les couleurs primaires de la lumière, bien qu'il n'y ait aucun lien avec la couleur au sens habituel.
Les particules de couleur neutre se produisent de deux manières. Dans les baryons - particules subatomiques construites à partir de trois quarks, comme, par exemple, les protons et les neutrons - les trois quarks sont chacun d'une couleur différente, et un mélange des trois couleurs produit une particule qui est neutre. Les mésons, d'autre part, sont construits à partir de paires de quarks et d'antiquarks, leurs homologues d'antimatière, et dans ceux-ci, l'anticolore de l'antiquark neutralise la couleur du quark, tout comme les charges électriques positives et négatives s'annulent pour produire un neutre électrique objet.
Les quarks interagissent via la force forte en échangeant des particules appelées gluons. Contrairement au QED, où les photons échangés sont électriquement neutres, les gluons de QCD portent également des charges de couleur. Pour permettre toutes les interactions possibles entre les trois couleurs des quarks, il doit y avoir huit gluons, chacun portant généralement un mélange d'une couleur et d'une anticoloration d'un type différent.
Les gluons étant porteurs de couleur, ils peuvent interagir entre eux, ce qui rend le comportement de la force forte subtilement différent de la force électromagnétique. QED décrit une force qui peut s'étendre à travers des étendues infinies de l'espace, bien que la force s'affaiblisse à mesure que la distance entre deux charges augmente (obéissant à une loi carrée inverse). Dans QCD, cependant, les interactions entre les gluons émis par les charges de couleur empêchent ces charges de se séparer. Au lieu de cela, si une énergie suffisante est investie dans la tentative d'éliminer un quark d'un proton, par exemple, le résultat est la création d'une paire quark-antiquark - en d'autres termes, un méson. Cet aspect de la QCD incarne la nature à courte portée observée de la force forte, qui est limitée à une distance d'environ 10 à 15 mètres, plus courte que le diamètre d'un noyau atomique. Il explique également le confinement apparent des quarks, c'est-à-dire qu'ils n'ont été observés que dans des états composites liés dans les baryons (tels que les protons et les neutrons) et les mésons.
