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量子色动力学强相互作用的规范理论 01强子结构规范理论色规范场目录0302 基本信息量子色动力学（Quantum Chromodynamics，简称QCD）是在阿德勒、伯约肯以及其他人工作的基础上，在1972年由盖尔曼和弗里奇所创立。它是一种强相互作用的规范理论，它描述组成强作用粒子（强子）的夸克和与色量子数相的规范场的相互作用，可以统一地描述强子的结构和它们之间的强相互作用，被认为是有希望的强作用基本理论。 强子结构 强子结构按照夸克模型，所有重子都由三个夸克组成，所有介子都由一对正反夸克组成。夸克的自旋为1/2。为组成实验观察到的重子和介子，须认为夸克有许多种，在文献上称为夸克的味。为使重子内部波函数有费密统计所要求的全反对称性，并说明重子由三个夸克组成，人们提出夸克还具有另一种内部自由度，它可以取三种不同的状态，人们借用光学中的词汇称它们有三种不同的色。重子中的三个夸克各带不同的色。介子中的正反夸克对带相反的色量子数。重子和介子都不带色量子数，它们是“白色”的。三种色夸克在强作用中的性质完全相似，因此强作用有与此相应的对称性。以ψia代表夸克场，其中i=1，2，3代表三种色，a=1，2，3……代表不同的味，则理论在幺正变换下保持形式不变，这里U=(Uij)构成三行三列的幺正矩阵。 ? 色规范场 色规范场假设上述强作用的 SU(3)对称性是定域的对称性，即当群参量Θα是时空坐标t和x的函数时，理论仍保持不变，就引导到色规范场的概念。在这个规范理论中，除夸克场ψia外还有八个规范场Aα(α=1，2，...…，8)，分别与八个守恒流耦合。如果假设上述强作用的 SU(3)对称性是定域的对称性，即当群参量Θα是时空坐标t和x的函数时，理论仍保持不变，就引导到色规范场的概念。在这个规范理论中，除夸克场ψia外还有八个规范场Aα(α=1，2，...…，8)，分别与八个守恒流耦合。SU(3)定域规范不变的要求唯一地确定拉氏函数密度的形式式中是SU(3)群的结构常数，它们由下式定义：g是规范作用的耦合常数,mα是味a的夸克的质量,它与夸克的色无关。由以上拉氏函数出发的量子场论就是量子色动力学。由于都是规范理论，它与电磁作用的基本理论量子电动力学有不少共同之处，但是也有重要的差别。与量子电动力学中传递电磁作用的光子相对应，这里有八个零质量的自旋为1的规范粒子。它们可以被夸克所吸收或发射，并传递夸克之间的色作用力。这种力把夸克束缚在强子中，所以这些规范粒子也称为胶子。这种作用力也是两个强子之间的通常的强作用力的来源，后者是不带色量子数的强子之间的剩余色作用。 规范理论 性质种类无关性动量规范理论 标度无关性强子结构论据微扰论规范理论 性质非交换群规范场理论以外的其他可重正化场论几乎都有类似的性质，它们的有效耦合常数随距离减小而增加，即在小距离内作用变强。非交换群规范理论则不同。研究表明，规范场的自作用能够产生相反的效果，使得放在真空中的色荷吸引真空中产生的规范粒子，在它的周围聚集相同的色荷，造成反屏蔽的效应。 种类在夸克的味不超过16种时，真空中胶子分布所产生的反屏蔽效应超过夸克对产生的屏蔽效应。在这种情况下量子色动力学有所谓渐近自由的性质，即随着时空距离的变小相互作用变弱，有效耦合常数随距离趋于零。按照测不准关系，小的时空距离相应于大的能量动量。某些高能过程的物理量主要与小的时空距离有关。对于这些物理量，量子色动力学中按有效耦合常数的幂次的微扰论展开式，在高能下很快地收敛，因此可以作可靠的计算。迄今为止，别的强作用理论都由于没有小参量而无法作可靠的近似，量子色动力学在这方面是唯一的例外。 无关性质心系总能量W强作用的近似标度无关性 70年代中,在轻子的深度非弹性散射的单举截面、正负电子对撞产生强子的总截面及这些过程中产生的强子喷注等一系列高能实验中，发现强作用有一些未曾预料到的性质。所谓轻子的非弹性散射是指电子e与核子N碰撞而产生一些强子，e+N→e+N+强子，或中微子v与核子N碰撞转化成μ子和一些强子，v+N→μ+强子。这两个过程分别是电磁作用和弱作用过程，同时也有强作用参加。如果在碰撞中轻子动量传递的二次方q2和能量损失(mN是核子的质量)都很大，则这个过程称为深度非弹性散射。在单举截面中，只测量轻子。 动量因此这个截面只是 q2和 v的函数。单举截面决定于几个称为结构函数的无量纲的量。这些结构函数只与强作用有关。实验发现在 q2和v都很大时它们近似地只依赖于比值x=q2/2v,对固定的x,它们随q2的变化很缓慢。正负电子对撞产生强子和产生 μ子对的总截面的比 r是正负电子对的质心系总能量W的函数。实验发现，在W大时R近似地是常数（除在某些产生新粒子的阈能附近以外）。这些及其他一些实验结果可以解释为强作用中没有一个在高能下起作用的固