Tugev vastasmõju (tuumajõud): kvarkid, gluoonid ja QCD

Tugev vastasmõju: põhjalik ja selge ülevaade tuumajõudust, kvarkidest, gluoonidest, QCD-st ja värvuspiirangust.

Tugev vastastikmõju (ehk tugev tuumajõud) on üks neljast fundamentaalsest jõust. Teised on elektromagnetism, nõrk vastastikmõju ja gravitatsioon. Neid nimetatakse fundamentaaljõududeks, sest neid ei saa keemiliselt või lihtsamate komponentide abil edasi jaotada — need on looduse põhilised mõjutajad.

Tugev tuumajõud hoiab enamikku tavalist ainet koos. Kuigi see on kõige tugevam fundamentaaljõud (umbes 10³⁸ korda tugevam kui gravitatsioon), on selle ulatus väga lühike: mõne femtomeetri (fm) suurusjärgus — ligikaudu 10^-15 meetrit (0,000000000000001 m). Sellepärast tunneb iga-päevane kogemus eelkõige gravitatsiooni ja elektromagnetismi, mitte tugevat jõudu.

Füüsikud räägivad sageli kahest „tasandist”: värvijõud (see on see, mida kvarkid omavahel vahetavad) ja tuumajõud (residuaalne tõmme, mis seob koos prootoneid ja neutroneid aatomi tuumas). Värvijõud toimib väga väikestel vahemaadel (umbes 0,8 fm ja vähem) ja hoiab koos subatomaarsed osakesed nagu prootonid ja neutronid. 1–3 fm vahemikus avaldub aga residuaalne nukleaarjõud, mis seob need osakesed aatomituumadeks.

Tugevat vastastikmõju vahendavad peamiselt gluoonid, mis omavad võimet „liimida” kvarke kokku. Gluoneid saab vahetada (neid „saadetakse” ja „võetakse vastu”) kvarkide, antikvarkide ja teiste gluoonide vahel. Kõigil nendel osakestel on nii-öelda värvilaeng — sarnane mõiste elektrilaengule, kuid kolmevärvilise süsteemiga. Näiteks on olemas kolm värvilaengu tüüpi (tavaliselt nimetatuna punane, roheline ja sinine) ning gluonid kannavad ise värvilaengut, mistõttu nad omavahel ka omavahel suhtlevad.

Kvantkromodünaamika (QCD) on tänapäeva standardmudeli osa, mis kirjeldab tugevat jõudu — see on teooria kvarkide ja gluoonide vastastikmõjudest. QCD on mittelineaarne (nii-öelda mittetihenduslik või non-abeliaanne) väli­teooria, mille sümmeetriarühm on SU(3). See tähendab, et gluonid ei ole ainult vahendajad, vaid neil on ka ise värvilaeng — nad omavahel reageerivad ja seetõttu on QCD käitumine palju keerulisem kui elektromagnetismil.

QCD‑i kaks kõige tuntumat omadust on:

• Värvuspiirang (confinement) — kvarkke ja vabu gluone me ei näe eraldiseisvatena; nad on alati seotud hadroniteks (nt prootonid, neutronid, mesonid). Kui püüda kvarki eraldada, suureneb energiatihedus nii palju, et tekib uute kvark–antikvark paaride loomine ja tulemuseks on jälle hadronid, mitte üksik kvark.
• Asümptootiline vabadus — väga kõrgetel energiatel ja lühikestel vahemaadel muutub vastasmõju nõrgemaks: kvarkid käituvad peaaegu vabalt. Seed kasutati ära sügaval elastilises hajumises (deep inelastic scattering) tehtud katsetes, mis andsid tõendeid kvarkide olemasolu ja QCD‑i struktuuri kohta.

Oluline on mõista, et tugeva jõu „tuumajõud”, mida tuntakse tuumaosakeste vahel, on tegelikult QCD‑i residuaalne efekt — sarnane sellele, kuidas elektromagnetilise dipooljõu jääk võib väljenduda makroskoopilisel tasandil. Selle residuaalse jõu teoreetiline kirjeldus lähtub pionivahetusest (Yukawa‑mõiste) ja teiste mesonitevahetusest, mis annab tuumajõule selle teadaoleva ulatuse (~1–3 fm).

Põhiomadused ja tähtsamad mõisted

• Gluonid on massita kandjad (sarnaselt footonitega), kuid kuna neil on värvilaeng, siis nad omavahel ka suhtlevad — sellest tuleneb mittelineaarne käitumine.
• Gluonide arv QCD‑is on kaheksa (need vastavad SU(3) algeebra generatoritele), mistõttu QCD‑s esinev kombinatoorika on rikkalik.
• Jooksuv konstant αs (tugevuskonstant) sõltub energiaskaalast: kõrgemal energial on αs väiksem (asümptootiline vabadus), madalal energial suureneb see ja viib värvuspiiranguni.
• ΛQCD on energiaskaala (umbes mõnisada MeV), mille juures QCD muutub tugevalt mitteperturbatiivselt — see määrab suures osas hadronite massid ja tuumaomadused.
• Hadronite mass — enamik prootoni ja neutroni massist ei tule kvarkide massist, vaid QCD‑i sidumienergiast ja gluoonide ning kvarkide liikuva energia panusest.

Kuidas me QCD‑i uurime ja miks see on tähtis

QCD‑i uuritakse nii teoreetiliselt (näiteks lattice QCD — QCD ruudustiku simulatsioonid arvutites) kui ka eksperimentaalselt läbi kõrgenergia hajumiskatsete, raskete ioonide kokkupõrgete (mis tekitavad kvark‑gluoni plasma), ja hadronite spektroskoopia. Raskete ioonide kokkupõrgetes (nt RHIC ja CERNi LHC katsed) on saavutatud tingimused, kus tuvastatakse dekonfineerumist ja loodakse kvark‑gluoni plasma — olek, kus kvarkid ja gluonid on lühiajaliselt vabas olekus.

QCD on ka praktilise tähendusega: selle abil mõistame, miks aatomituumad on stabiilsed, kust tuleb enamik tavalise aine massist ning kuidas toimivad protsessid tähtedes ja supernoovades. QCD‑i kaks olulisemat teoreetikut (David Gross, Frank Wilczek ja David Politzer) said selle valdkonna uurimise eest 2004. aasta Nobeli füüsikapreemia — asümptootilise vabaduse avastamise eest.

Tugev jõud mõjutab otseselt ainult kvarke. Hadronite vahel tuntakse tugevat jõudu kui tuumajõudu. Tugev jõud on põhjus, miks me ei näe vabu kvarkke, s.t. kvarkke, mis on iseenesest. Seda sündmust nimetatakse värvuspiiranguks, teooria, mis ütleb, et näha saab ainult hadroneid.

Kokkuvõtlikult: tugev vastastikmõju on looduse üks põhilisi jõude, mille rikkalik ja mittelineaarne käitumine määrab suure osa aine omadustest mikroskoopilisel skaalal. Kvarkide, gluonide ja QCD uurimine on jätkuvalt aktiivne teadusvaldkond, mis ühendab teooriat, simulatsioone ja keerulisi katseid.

Kvantkromodünaamika, mis kirjeldab neid nähtusi, seletab kvarkide ja gluoonide keerukaid seoseid ning mõjutab kõiki hadronite omadusi, mõjutades kvarkide, antikvarkide ja gluoonide endi poolt.

Küsimused ja vastused

K: Millised on neli fundamentaalset jõudu füüsikas?

K: Mille poolest erineb tugev tuumajõud teistest fundamentaaljõududest?

K: Mis on kvantkromodünaamika?

K: Kuidas toimib värvuse piiramine?

K: Millised osakesed kannavad värvilaengut?

K: Kuidas värvilaenguga osakesed omavahel suhtlevad?

K: Mis juhtub, kui kaks hadronit, mis koosnevad kvarkidest, omavahel suhelda?

Otsing