کوانتوم کرومودايناميک که بطور خلاصه  QCD ناميده مي شود، يک نظريه مدرن در مورد واکنش قوي است. از نظر تاريخي ريشه آن به فيزيک هسته اي بر مي گردد و توضيحي است براي ماده و درک اينکه پروتون و نوترون چه هستند و چگونه با هم واکنش دارند
در توضيح لفظي مي توان گفت QCD يک ويرايش جديد و توسعه يافته از  QED , Quantum Electrodynamic الکتروديناميک کوانتومي است. در الکتروديناميک کوانتومي تنها يک نوع بار الکتريکي (مثبت يا منفي) وجود دارد، اما در کوانتوم کرموديناميک سه نوع مختلف بار الکتريکي با برچسب رنگ  Color وجود دارد. براي دوري جستن از هرگونه تعصب، رنگهاي قرمز، سبز و آبي را انتخاب مي کنند. اما البته بار-رنگ کوانتوم کرومودايناميک هيچگونه ارتباطي با رنگهاي معمولي فيزيک ندارد. در واقع اينها تشبيح خواص بار الکتريکي هستند. بويژه بار-رنگها در هر فرايند فيزيکي پايسته هستند و ذرات بدون جرمي شبيه ذره ي بدون جرم فوتون، وجود دارد که گلوئون-رنگ ناميده مي شود

◄   برهمکنش الکترومغناطيسى:
فيزيکدانان توانسته اند به کمک تئورى الکتروديناميک کوانتومى  QED توصيف مناسبى براى برهمکنش الکترو مغناطيسى ارائه نمايند. اين تئورى يکى از موفقيت آميزترين تئورى هاى فيزيکى است که با دقت يک در ده ميليون با نتايج آزمايشگاهى توافق دارد. يکى از دلايل موفقيت اين نظريه وجود يک ثابت کوچک به اسم ثابت کوپلاژ با مقدار 137 /1در معادلات است. وجود اين ثابت کوچک تر از يک اين امکان را فراهم مى سازد که براى محاسبه اثر نيروى الکترو مغناطيس از بسط سرى ها در معادلات استفاده شود. اين روش رياضى که به آن روش حل اختلالى مى گويند توسط فاينمن بسط و گسترش يافت
يکى از خواص مهم نظريه الکترو ديناميک کوانتومى  (QED) اين است که ثابت کوپلاژ در انرژى هاى مختلف مقادير مختلفى دارد. اين مقدار با افزايش انرژى افزايش مى يابد. به عنوان نمونه در شتاب دهنده  CERN مقدار آن در انرژى حدود ۱۰۰ بيليون الکترون ولت به جاى 137 /1، 1/128 اندازه گيرى شده است. اگر نمودار اندازه ثابت کوپلاژ نسبت به انرژى رسم شود، آن گاه اين منحنى داراى يک شيب آرام به سمت بالا خواهد بود که فيزيکدانان اصطلاحاً مى گويند شيب منحنى يا تابع بتا مثبت است

 


◄   کوارکها  Quarks
از دهه ۱۹۶۰ مشخص شده بود که پروتون و نوترون از ذرات بنيادى ترى به اسم کوارک ساخته شده اند. اما نکته عجيب اين بود که امکان مشاهده ذره کوارک به صورت آزاد وجود نداشت. آنها هميشه محبوس هستند و اين خاصيتى بنيادى براى اين ذرات است. تنها جمع کوارک ها به صورت دوتايى و سه تايى مى تواند وجود داشته باشد. بار الکتريکى کوارک ها کسرى از بار الکتريکى پروتون است به صورت يک سوم يا دو سوم بار پروتون و اين خاصيتى است عجيب که هنوز توضيحى براى آن يافت نشده است

◄   گلوئون و بار -رنگ:
هر کوارک علاوه برداشتن بار الکتريکى خاصيت ويژه ديگرى نيز دارد که مانند بار الکتريکى کميتى کوانتومي است و تنها مى تواند مقادير ويژه اى داشته باشد. به اين خاصيت بار-رنگ گفته مى شود. کوارک ها مى توانند بار رنگى قرمز، آبى و سبز داشته باشند. براى هر کوارک يک پادکوارک نيز وجود دارد مانند پوزيترون که پاد ذره الکترون است. پادکوارک ها داراى بار رنگى پاد قرمز، پاد آبى يا پاد سبز هستند. جمع کوارک هايى که در طبيعت مى توانند وجود داشته باشند بايد داراى بار-رنگ خنثى باشند همانطور که تشکيل مولکول هاى خنثى (از نظر الکتريکى) به خاطر جاذبه الکتريکى بين اجزاى مثبت و منفى آن است. نيروى بين پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم ها به خاطر نيروى بين بار هاى رنگى کوارک هاى تشکيل دهنده آنها به وجود مى ايد. نيروى بين کوارک ها توسط ذرات حاملى به اسم گلوئون ها حمل مى شود. اين ذرات مانند فوتون بدون جرم هستند ولى برخلاف فوتون ها داراى بار-رنگ هستند. همين خصوصيت باعث پيچيدگى توضيح اين نيرو و تفاوت آن با نيروى الکترو مغناطيس است

◄   مقادير منفي تابع بتا:
براى سال ها فيزيکدانان اعتقاد داشتند که نمى توان روشى براى محاسبه برهم کنش قوى ميان کوارک ها يافت که شبيه روش محاسبات برهم کنش هاى الکترو مغناطيسى باشد. به اين دليل که ثابت کوپلاژ براى برهم کنش قوى بزرگ تر از يک است و نمى توان روش اختلالى فاينمن (که در بالا توضيح داده شد) را براى محاسبات اين نظريه به کار برد. کورت زيمانسکى فيزيکدان آلمانى دريافت که تنها راه رسيدن به يک نظريه معقول پيدا کردن يک تابع بتا منفى براى اين نظريه است. اين رهيافت همچنين مى تواند علت آنکه گاهى اوقات کوارک ها در داخل پروتون به صورت ذره هاى آزاد خود را آشکار مى سازند توضيح دهد. اثرى که در آزمايش برخورد ميان الکترون و پروتون ديده مى شود
متاسفانه زيمانسکى خود نتوانست به اين نظريه دست يابد حتى جرارد هوفت در تابستان ۱۹۷۲ به اين کشف نزديک شده بود. اما فيزيکدانان نااميد بودند زيرا شواهد نشان مى داد که يک نظريه واقعى بايد داراى تابع بتاى مثبت باشد. اما امروزه ديگر مشخص شده است که اين موضوعى نادرست است زيرا در ژانويه 1973دو مقاله پى در پى در مجله فيزيکال ريويولترز توسط گراس و ويلچک و پوليتزر به چاپ رسيدند که در کمال تعجب نشان مى دادند تابع بتا مى تواند مقادير منفى داشته باشد. آنها زمانى اين کشف را انجام دادند که دانشجو بودند. مطابق نظريه آنها حامل هاى نيروى برهم کنش قوى يعنى گلوئون ها داراى خاصيتى غيرمنتظره و ويژه هستند به اين صورت که آنها نه تنها با کوارک ها بلکه با خودشان نيز برهم کنش مى کنند. طبق اين خاصيت هنگامى که کوارک ها به يکديگر نزديک مى شوند برهمکنش بار رنگى ميان آنها کاهش مى يابد. کوارک ها موقعى به يکديگر نزديک مى شوند که انرژى آنها افزايش يافته باشد و طبق اين نظريه اندازه برهم کنش در اين هنگام کاهش مى يابد. اين خاصيت که به آن آزادى مجانبى مى گويند به معنى منفى بودن تابع بتا است. به عبارت ديگر برهمکنش با افزايش فاصله افزايش مى يابد که اين مى تواند توضيحى براى اين باشد که چرا کوارک ها هميشه در نوکلئون ها محبوس هستند
آزادى مجانبى اين امکان را نيز فراهم مى سازد که بتوان فاصله اى را که در آن کوارک ها و گلوئو ن ها به صورت ذرات آزاد رفتار مى کنند، محاسبه کرد. با برخورد دادن ذرات در انرژى هاى بسيار زياد با يکديگر مى توان آنها را به اندازه کافى به يکديگر نزديک کرد. هنگامى که آزادى مجانبى کشف شد و نظريه  QCD  فرمول بندى شد محاسبات توانستند توافق بسيار خوبى با نتايج آزمايشگاهى از خود نشان دهند

◄   شواهد تجربي:
يکى از مهم ترين اثبات هاى نظريه  QCD توسط آزمايش برخورد الکترون و پاد ذره آن يعنى پوزيترون در انرژى هاى بالا صورت مى گيرد. در اين آزمايش الکترون و پوزيترون يکديگر را نابود مى کنند و مطابق معادله اينشتين E=mc2 انرژى اين ذرات مى تواند به صورت ذرات جديدى (به عنوان مثال ذرات کوارک) ظاهر شود. در اين فرايند ذرات کوارک در فواصل بسيار نزديک به هم آفريده مى شوند و با سرعت بسيار زيادى از يکديگر دور مى شوند. امروزه مى توان اين فرايند را به کمک مفهوم آزادى مجانبى به دقت محاسبه کرد. در حقيقت وقتى کوارک ها مى خواهند از يکديگر دور شوند تحت تاثير نيروى افزايش يابنده برهمکنش قوى قرار مى گيرند (در بخش قبل توضيح داده شد) که اين نيرو باعث توليد زوج ذرات جديد کوارک مى شود و بدين ترتيب رگبارى از ذرات در جهت کوارک و پادکوارک اوليه توليد مى شود.

با اين حال اين فرايند خاطره اى از آزادى مجانبى ذرات اوليه را در خود نگه مى دارد که مى توان تاثير آن را بر احتمالات وقايعى که در رگبار ذرات اتفاق مى افتد محاسبه کرد. نتايج اين محاسبات با آزمايش ها توافق زيادى دارد. واقعه بسيار قانع کننده ديگرى که در شتاب دهنده  DESY  در هامبورگ آلمان در اواخر ۱۹۷۰ يافت شد وجود سه رگبار در آ زمايشات بود که اين فرايند را مى توان با در نظر گرفتن تابش گلوئون از کوارک _ پادکوارک اوليه به خوبى توضيح داد. آزادى مجانبى حتى توانست پديده اى را که قبلاً در شتاب دهنده استانفورد ديده شده بود توجيه نمايد. اجزاى سازنده پروتون ها که داراى بار الکتريکى هستند (کوارک ها) در انرژى هاى بالا به صورت ذرات آزاد عمل مى کنند در اين حالت اندازه حرکت کوارک ها تنها نصف اندازه حرکت پروتون ساخته شده از آنها است و بقيه اندازه حرکت پروتون ناشى از اندازه حرکت گلوئون ها است

ايا مى توان نيروهاى طبيعت را وحدت بخشيد به وجود آمدن امکان توصيف واحد براى نيروهاى طبيعت QCD  يکى از جالب ترين آثار آزادى مجانبى در نظريه است. هنگامى که نمودار مقدار ثابت کوپلاژ بر حسب انرژى را براى برهمکنش هاى الکترومغناطيسى، ضعيف و قوى بررسى مى کنيم، اين موضوع آشکار مى شود که اين سه نمودار يکديگر را در يک نقطه اى با انرژى بالا (به طور تقريبى نه به صورت دقيق) قطع مى کنند و در اين نقطه مقدار يکسانى دارند. بدين ترتيب مى توان ديد که اين سه نيرو با همديگر يکى شده اند و اين يکى از روياهاى قديمى فيزيکدانان است که دوست دارند قوانين طبيعت را به ساده ترين زبان ممکن توضيح دهند. با اين حال براى آنکه روياى وحدت نيروها به واقعيت بپيوندد بايد اصلاحاتى در مدل استاندارد به وجود آورد. يک راه ممکن در نظر گرفتن ذرات جديدى به اسم ذرات ابرتقارن است که اگر جرمشان به اندازه کافى کم باشد مى توان وجود آنها را در شتاب دهنده در حال ساخت  LHC در  CERN بررسى کرد. اگر ابرتقارن کشف شود مى تواند پشتوانه قويى براى نظريه ي همه چيز باشد که آن نيز شايد بتواند نيروى گرانش را با بقيه نيروها وحدت ببخشد. صرف نظر از اين پيشرفت ها کشف آزادى مجانبى در  QCD تغييرات عميقى را در فهم ما از نيروهاى بنيادين طبيعت به وجود آورده است


◄   زير کوانتوم کرومودايناميک Sub Quantum Chromo dynamics
يک زير کوانتوم کرومودايناميک چيست؟
براي يافتن پاسخ اين سئوال بايد توجه کرد که همه ي ذرات مورد مطالعه ي فيزيکدانان در نهايت به دو دسته فرميونها و بوزنها تقسيم مي شوند. فرميونها نظير الکترون و کوارکها سنگ بناي ماده را تشکيل مي دهند . بوزونها حامل نيرو هاي اساسي طبيعت هستند. اما سئوال اساسي اين است که ايا بوزونها و فرميونها از يک ذره ي واحدي ساخته شده اند يا دو چيز کاملاً متفاوتي هستند؟
در نظريه سي. پي. اچ. همه ي ذرلت شناخته شده و ناشناخته موجود در جهان از ذره ي واحدي به نام سي. پي. اچ. ساخته شده اند. اگر به رابطه جرم-انرژي E=mc2 توجه کنيم، همه ي اجسام قابل تبديل به انرژي هستند. اين اجسام در نهايت از اتمها ساخته شده اند که شامل فرميونها و بوزونها هستند. از طرف ديگر نوسان يک ذره ي باردار موجب انتشار امواج الکترومغناطيسي مي شود که اين موج خود حامل دو ميدان الکتريکي و مغناطيسي با خواص مختلف است. اين ميدانها هر يک شامل تعداد زيادي ذره ي فوق العاده کوچکي هستند که ميدان الکتريکي و مغناطيسي را شکل مي دهند. اما اين ذرات بقدري کوچک هستند که نمي توانند بعنوان يک ذره ي باردار قابل مشاهده يا يک آهنربا باشند. بنابراين آنها را بار-رنگ و مغناطيس-رنگ مي ناميم که همه ي کوانتومهايي که داراي خواص الکتريکي يا مغناطيسي هستند، از آنها ساخته مي شوند. بهمين دليل آنها را زير کوانتوم کروموديناميک مي ناميم. بهمين دليل زير کوانتوم کرموديناميک ذراتي هستند که ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي از جمله بار-رنگها را توليد مي کنند .