Сильное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий природы наряду с гравитационным, электромагнитным и слабым. Оно играет ключевую роль в структуре материи, отвечая за связывание кварков в адроны и удержание нуклонов внутри атомных ядер. Сильное взаимодействие характеризуется крайней интенсивностью на малых расстояниях и проявляется в двух формах: на уровне кварков — через квантовую хромодинамику (КХД), и на уровне адронов — как ядерное взаимодействие.
Кварки, фундаментальные частицы, из которых состоят адроны, участвуют в сильном взаимодействии благодаря наличию цветового заряда. В отличие от электрического заряда, цветовой заряд существует в трёх типах — условно называемых “красный”, “зелёный” и “синий”. Антикварки несут соответствующие антицвета.
Цвет — не наблюдаемая напрямую величина, а абстракция, вводимая в КХД для объяснения структуры взаимодействий. Основное правило: физически наблюдаемые частицы — цветонейтральны. Это условие приводит к возможности существования лишь тех комбинаций кварков, у которых происходит полное взаимное уничтожение цветового заряда, как, например, в барионах (три разноцветных кварка) или мезонах (кварк и антикварк противоположного цвета).
Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны — безмассовые бозоны с единичным спином, аналогичные фотонам в электромагнитном взаимодействии. Однако глюоны, в отличие от фотонов, сами несут цветовой заряд и, следовательно, взаимодействуют друг с другом. Это приводит к фундаментальным отличиям между КХД и квантовой электродинамикой:
Глюоны существуют в восьми различных состояниях, что связано с симметрией SU(3), лежащей в основе КХД.
Одним из центральных постулатов КХД является конфайнмент — явление, при котором кварки и глюоны не могут быть изолированы от адронов. При попытке разорвать кварковую связь (например, ускорением адрона), энергия, затрачиваемая на это, столь велика, что возникает новая пара кварк-антикварк, формирующая новые адроны, а не освобождающая отдельный кварк.
Математически конфайнмент объясняется особенностями потенциала взаимодействия между кварками. Приближённо он описывается как:
$$ V(r) \approx -\frac{4}{3}\frac{\alpha_s}{r} + \sigma r, $$
где - αs — константа сильного взаимодействия, - σ — коэффициент натяжения струны (string tension), - r — расстояние между кварками.
Вторая линейная компонента приводит к росту энергии с расстоянием, делая изоляцию кварков невозможной.
В противоположность конфайнменту, асимптотическая свобода означает, что при очень высоких энергиях (или очень малых расстояниях) кварки ведут себя как почти свободные частицы. Это проявляется в уменьшении эффективной силы взаимодействия при увеличении импульсной передачи:
$$ \alpha_s(Q^2) \approx \frac{12\pi}{(33 - 2n_f) \ln(Q^2/\Lambda^2_{\text{QCD}})}, $$
где - Q — характерный масштаб энергии, - nf — число активных кварков, - ΛQCD — параметр КХД (около 200–300 МэВ).
Этот эффект делает возможным применение методов возмущений при высоких энергиях, таких как в коллайдерах.
КХД представляет собой нелинейную калибровочную теорию с симметрией SU(3), описывающую взаимодействие восьми глюонов с кварками. Лагранжиан КХД имеет вид:
$$ \mathcal{L}_{\text{QCD}} = \sum_f \bar{\psi}_f \left(i\gamma^\mu D_\mu - m_f \right)\psi_f - \frac{1}{4}G^a_{\mu\nu} G^{a\,\mu\nu}, $$
где - ψf — кварковые поля разных ароматов, - Dμ — ковариантная производная, - Gμνa — тензор напряжённости глюонного поля.
Самосвязанность глюонных полей приводит к многообразным нелинейным эффектам, среди которых образование глюонных потоков, струкрутных конфигураций (солитонов), а также возможность существования глюболов — гипотетических адронов, состоящих только из глюонов.
Экспериментальные подтверждения КХД получены, прежде всего, в экспериментах по глубоконеупругому рассеянию (DIS), в которых быстрые электроны или нейтрино сталкиваются с нуклонами, «видя» кварковую структуру. Распределения импульса кварков внутри протона, называемые партонными распределениями, подтвердили предсказания КХД.
В коллайдерах (например, LHC) наблюдаются:
На уровне атомных ядер сильное взаимодействие проявляется как остаточное — результат обмена между нуклонами мезонами (преимущественно пионами). Впервые это объяснение было предложено Хидэки Юкавой, предсказавшим мезон как переносчик взаимодействия между протоном и нейтроном.
Эффективный потенциал ядерных сил имеет короткодействующий характер:
Модернизированные теории ядерных взаимодействий, такие как хиральная эффективная теория поля, строят приближения сильных сил на основе КХД и сохраняют симметрии SU(2) изоспина.
Конфайнмент приводит к представлению о хромодинамической струне, натянутой между кварками. При растяжении этой струны энергия линейно возрастает, что соответствует рождению новых пар кварк-антикварк. Эта модель успешно описывает спектры возбуждённых адронов.
При экстремальных температурах и плотностях вещество может переходить в новое состояние — кварк-глюонную плазму (QGP), где кварки и глюоны становятся делокализованными. Такое состояние исследуется в тяжёлоионных столкновениях (RHIC, LHC). Его параметры описываются гидродинамическими моделями и методами решётчатой КХД (lattice QCD).
Одним из немногих эффективных способов не perturbативного анализа КХД является решётчатая КХД — дискретизация пространства-времени и численное моделирование взаимодействий на суперкомпьютерах. Метод позволяет:
Решётчатая КХД успешно воспроизвела наблюдаемые массы нуклонов, пионов и других адронов, подтвердив внутреннюю консистентность КХД как фундаментальной теории сильного взаимодействия.
Сильное взаимодействие обладает богатой структурой симметрий, включая:
Однако многие из этих симметрий нарушаются либо явным образом (из-за конечных масс кварков), либо через квантовые аномалии. Одним из наиболее интригующих явлений является проблема сильного CP-нарушения — отсутствие наблюдаемого CP-нарушения в КХД, несмотря на наличие соответствующего теоретического параметра θ. Это породило гипотезу о существовании аксиона — гипотетической частицы, регулирующей значение θ.
Сильное взаимодействие и КХД играют ключевую роль и в теориях за пределами Стандартной модели. Некоторые расширения (например, техницвет, скрытая хромодинамика) предполагают наличие дополнительных сильно взаимодействующих секторов. Кроме того, исследования структуры вакуума КХД и механизмов конфайнмента дают представление о генерации масс и механизмах нарушения симметрий в более фундаментальных теориях.