Monday, September 1, 2014

QCD還有一道難題:它的載力子膠子本身就帶有色荷,而且方式不一樣。每一膠子都帶有一色荷及一反色荷磁矩。真空中,虛膠子的淨效應並不會屏蔽場,反而會加強它,並改變其色。這個現象有時會被稱為“反屏蔽”。

漸近自由[编辑]
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物理學中,漸近自由是某些規範場論的性質,在能量尺度變得任意大的時候,或等效地,距離尺度變得任意小(即最近距離)的時候,漸近自由會使得粒子間的相互作用變得任意地弱。
漸近自由是量子色動力學(QCD)的一項特性,QCD是描述夸克膠子間的核相互作用,而這兩種粒子是組成核物質的基本構成部份。在高能量時,夸克與夸克之間的相互作用非常微弱,因此可以通過粒子物理學中的,深度非線性散射的截面DGLAP方程(描述QCD的演化方程),來進行微擾計算;低能量時會進行強相互作用,來防止重子(由三個夸克組成,如質子中子)或介子(由兩個夸克組成,如π介子)分體,這些都是核物質內的複合粒子。
漸近自由的發現者為弗朗克·韋爾切克戴維·格婁斯休·波利策,他們在2004年因這項發現而獲得了諾貝爾物理學獎[1]


發現[编辑]

在1973年,弗朗克·韋爾切克戴維·格婁斯[2],與休·波利策[3]兩組人發現了漸近自由。雖然這些科學家是最早明白漸近自由,與強相互作用的物理關聯。早在1969年,俄國物理學家約西夫·赫里普洛維奇(Iosif Khriplovich)就發現了SU(2)規範場論的漸近自由,但當時只被當成數學趣事;而傑拉德·特·胡夫特在1972年也注意到這個效應,但並沒有發表這個發現[4]。因為這項發現,韋爾切克、格婁斯和波利策獲頒2004年的諾貝爾物理學獎
這項發現對復興量子場論很有幫助。在1973年前,不少理論學者懷疑量子場論在基礎上矛盾,這是因為相互作用在短距離下的強度為無限大。這個現象一般叫蘭道奇點,它為理論所能描述的最小距離下了定義。這個問題是在研究純量旋量間相互作用的場論時發現,因此量子電動力學也有這個問題,所以雷曼正性就使不少物理學者都懷疑蘭道奇點可能是無可避免的。漸近自由理論在近距離時會變弱,所以沒有蘭道奇點,因此普遍認為這種量子場論,在任何距離尺度下都一致。
儘管標準模型並非完全漸近自由,但實際上蘭道奇點只在強相互作用中構成問題。因為其他相互作用太弱了,所以任何矛盾都只能在普朗克長度以內的距離中出現,而無論如何,對於描述這個距離內的現象,量子場論並不勝任。

屏蔽與反屏蔽[编辑]

QED中的電荷屏蔽
在尺度改變的情況下,在理解一物理耦合常數的變化性質時,可由帶有相關電荷的虛粒子所感受到的場下手。在量子電動力學(QED)下,蘭道奇點的狀態,成因是真空中虛正反帶電粒子對的屏蔽作用,這種粒子對的例子為電子正電子對。在電荷的周圍,真空被“極化”:相反電性的虛粒子被電荷吸引,而相同電性的虛粒子則排斥。在任何有限距離下,真空極化的淨效果會抵消掉場的一部份。當愈來愈接近中央的電荷時,能看到的真空效應會愈來愈少,而有效電荷則會增加。
在QCD中,同樣的現象會發生在虛夸克-反夸克對身上;它們會有屏蔽色荷的傾向。然而,QCD還有一道難題:它的載力子膠子本身就帶有色荷,而且方式不一樣。每一膠子都帶有一色荷及一反色荷磁矩。真空中,虛膠子的淨效應並不會屏蔽場,反而會加強它,並改變其色。這個現象有時會被稱為“反屏蔽”。當愈來愈接近夸克時,周圍虛膠子的淨反屏蔽效果會愈來愈弱,因此這個效應在距離減少的情況下,會使有效電荷變弱。
由於虛夸克與虛膠子引起的效應相反,所以哪種效應會勝出,就取決於夸克種類(又稱)的數量。在標準三色的QCD中,只要夸克種類不超過16種(反夸克不分開計算),那麼反屏蔽就會取得勝利,故此時理論有漸近自由。實際上,已知的夸克味只有6種。

計算漸近自由[编辑]

漸近自由可經由計算β函數來推導出來,函數描述的是在重整群下,理論中耦合常數的變化。在距離足夠短的情況下,或動量交換大的情況下(會觀測到短距離效應,大體是因為量子動量與德布羅意波長間的逆關係),漸近自由理論可以通過費曼圖微擾理論計算得出。因此在理論上,這樣的情況較易追蹤,比距離長且耦合常數強的情況好得多,而後者則常出現在這類理論中,被認為是夸克禁閉的成因。
計算β函數,就是求出夸克發射(或吸收)時相互作用相關的費曼圖值。在非交換規範場論中,如QCD,漸近自由的存在取決於,相互作用粒子的規範群的數量。在含類夸克粒子n_f 種的SU(N)規範場論中,至最低非普通數量級的β函數為
\beta_1(\alpha) = { \alpha^2 \over \pi} \left( -{11N \over 6} + {n_f \over 3} \right)
其中α為理論中精細結構常數的等價,在粒子物理用的單位中(c=ħ=1)為\tfrac{g}{4\pi}。若這個函數為負的話,該理論就有漸近自由。而在SU(3)的情況下,由於SU(3)是QCD色荷的規範群,因此在夸克種類小於或等於16種時,理論有漸近自由。
在SU(3)的情況下,N=3,且\beta_1 < 0 ,得 n_f < \tfrac{33}{2}

frank wilczek 漸近自由 The other, much heavier quarks are all unstable; “asymptotic freedom"

http://www.frankwilczek.com/Wilczek_Easy_Pieces/298_QCD_Made_Simple.pdf






漸近自由[编辑]
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物理學中,漸近自由是某些規範場論的性質,在能量尺度變得任意大的時候,或等效地,距離尺度變得任意小(即最近距離)的時候,漸近自由會使得粒子間的相互作用變得任意地弱。
漸近自由是量子色動力學(QCD)的一項特性,QCD是描述夸克膠子間的核相互作用,而這兩種粒子是組成核物質的基本構成部份。在高能量時,夸克與夸克之間的相互作用非常微弱,因此可以通過粒子物理學中的,深度非線性散射的截面DGLAP方程(描述QCD的演化方程),來進行微擾計算;低能量時會進行強相互作用,來防止重子(由三個夸克組成,如質子中子)或介子(由兩個夸克組成,如π介子)分體,這些都是核物質內的複合粒子。
漸近自由的發現者為弗朗克·韋爾切克戴維·格婁斯休·波利策,他們在2004年因這項發現而獲得了諾貝爾物理學獎[1]

Quarks and gluons

One class of particles that

carry color charge are the

quarks. We know of six different

kinds, or “flavors,” of

quarks—denoted u, d, s, c, b, and t, for: up, down,

strange, charmed, bottom, and top. Of these, only u and d

quarks play a significant role in the structure of ordinary

matter. The other, much heavier quarks are all unstable.



Quarks and gluons

One class of particles that

carry color charge are the

quarks. We know of six different

kinds, or “flavors,” of

quarks—denoted u, d, s, c, b, and t, for: up, down,

strange, charmed, bottom, and top. Of these, only u and d

quarks play a significant role in the structure of ordinary

matter. The other, much heavier quarks are all unstable.

A quark of any one of the six flavors can also carry a unit

of any of the three color charges. Although the different

quark flavors all have different masses, the theory is perfectly

symmetrical with respect to the three colors. This

color symmetry is described by the Lie group SU(3).

For all their similarities, however, there are a few

crucial differences between QCD and QED. First of all,

the response of gluons to color charge, as measured by the

QCD coupling constant, is much more vigorous than the

response of photons to electric charge. Second, as shown

in the box, in addition to just responding to color charge,

gluons can also change one color charge into another. All

possible changes of this kind are allowed, and yet color

charge is conserved. So the gluons themselves must be

able to carry unbalanced color charges. For example, if

absorption of a gluon changes a blue quark into a red

quark, then the gluon itself must have carried one

The third difference between QCD and QED, which is

the most profound, follows from the second. Because gluons

respond to the presence and motion of color charge


and they carry unbalanced color charge, it follows that



gluons, quite unlike photons, respond directly to one

another. Photons, of course, are electrically neutral.


Therefore the laser sword fights you’ve seen in Star Wars


wouldn’t work.


But it’s a movie about the future, so maybe


they’re using color gluon lasers.
A remarkable feature of QCD, which we see in figure 1,


is how few adjustable parameters the theory needs. There
is just one overall coupling constant g and six quark-mass

parameters mj for the six quark flavors. As we shall see,






the coupling strength is a relative concept; and there are


many circumstances in which the mass parameters are


not significant. For example, the heavier quarks play only


a tiny role in the structure of ordinary matter. Thus QCD


approximates the theoretical ideal: From a few purely


conceptual elements, it constructs a wealth of physical
consequences that describe nature faithfully.4






Besides confinement, there is another qualitative difference


between the observed reality and the fantasy


world of quarks and gluons. This difference is quite a bit


more subtle to describe, but equally fundamental. I will


not be able to do full justice to the phenomenological arguments


here, but I can state the essence of the problem in


its final, sanitized theoretical form. The phenomenology


indicates that if QCD is to describe the world, then the u


and d quarks must have very small masses. But if these


quarks do have very small masses, then the equations of


QCD possess some additional symmetries, called chiral
symmetries (after chiros, the Greek word for hand). These






symmetries allow separate transformations among the


right-handed quarks (spinning, in relation to their


motion, like ordinary right-handed screws) and the lefthanded


quarks.
But there is no such symmetry among the observed


strongly interacting particles; they do not come in opposite-


parity pairs. So if QCD is to describe the real world,


the chiral symmetry must be spontaneously broken,


much as rotational symmetry is spontaneously broken in


a ferromagnet.

chirality (质量起源 "希格斯机制就会使得在超导体内的光子带有质量局域变换不变"

67 - 高瞻自然科學教學資源平台 - 國立臺灣大學

highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p932&paged=67
一般認為,這個機制會賦予粒子質量,而希格斯粒子的存在是這個機制的一部分,希格 ..... 即電磁場)與純量場有交互作用,那麼所謂的希格斯機制就會使得在超導體內的光子帶有質量。 .... 換句話說,在這種變換之下,只有特定的作用量才能維持不變
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  • Frank Wilczek - MIT

  • web.mit.edu/.../wilczek_frank.htm
    Massachusetts Institute of Technology
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    This might qualitatively explain the small nuclear (compared to QCD) mass scale; it requires chiral symmetry restoration -- which could explain the long-standing ...


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    QCD Made Simple - Frank Wilczek

    www.frankwilczek.com/.../298_QCD_Made_Simple.pdf 翻譯這個網頁
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  • 科技新知四維量子霍爾效應 - 科技部

    www.most.gov.tw/ctpda.aspx?xItem=7760&ctNode=76&mp=8
    但事實卻是,高能物理只有在取用了超導體BCS 理論的精髓──「自發對稱破缺」 ... 帶有質量,其原理和超導體裡的光子也帶質量(即邁斯納(Meissner)效應)是一樣的。 ... 出憑空想像不到的量子態(即量子場論的解),在建造粒子模型時,是很大的助力。
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  • 科學人雜誌- BEH機制的諾貝爾榮耀

    sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=columns&id=2255
    安德森精通超導體理論,知道超導現象的本質是所謂的「自發失(去對)稱」,亦即 ... 高德史東粒子結合成一個帶質量光子,這種讓光子得到質量的方式即為BEH機制。
  • 希格斯玻色子- 维基百科,自由的百科全书

    zh.wikipedia.org/zh-hk/希格斯玻色子
    第一、有些種類的粒子(例如光子、膠子)不會被蜜糖沾黏,這些粒子的質量為零。 ... 的規範玻色子(W玻色子、Z玻色子)實際帶有很大的質量,因此弱作用力是短程力。 ... 建議,在超導體裏,瀰漫著一種特別的場,能夠使得光子獲得有效質量,但他們並 ...
  • 科學月刊: 把「光子」變重了—基本粒子的質量起源

    scimonth.blogspot.com/2013/12/blog-post_1381.html
    2013年12月5日 - 而之所以如此,乃是前述所謂的電漿子在超導體中行進時變成有質量的, ... 年為文剖析了在超導體中電漿子如何等價於光子獲得質量,並宣稱南部 ...
  • 胡侃物质的质量:写在LHC发现Higgs粒子之前[转]_相对论吧_ ...

    tieba.baidu.com/p/479441424 轉為繁體網頁
    4 篇文章 - ‎2 位作者
    假如万一在LHC上仍然不能找到Higgs粒子,人们至少对Higgs机制存在很大的怀疑,尽管已经有其他的替代 .... 是否包含了 光子超导体中依然没有静止质量 的意思.
  • [PPT]

    質量的故事

    www.scu.edu.tw/physics/science-scu/.../stories-of-mass-03092010.ppt
    2009年7月28日 - 凝聚成質量為M的物質需要MC2的能量。 ... 媒介電磁作用的光子 ... 中研院參加丁肇中院士主持的國際合作計畫建造太空超導磁譜儀將自2010年起在 ...
  • 科技部- 科技大觀園>新知報>科普點子王>四維量子霍爾效應

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    但事實卻是,高能物理只有在取用了超導體BCS理論的精髓─「自發對稱破缺」 ... 帶有質量,其原理和超導體裡的光子也帶質量(即邁斯納(Meissner)效應)是一樣的。 ... 出憑空想像不到的量子態(即量子場論的解),在建造粒子模型時,是很大的助力。
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    2013年12月12日 - 帶電粒子之間電磁相互作用的傳播子是質量為零、自旋為1的光子。 .... 光子在真空中運動速度很大,但是在超導狀態下,光運行的速度很慢,大體跟 ...