量子色力学

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量子色力学（りょうしいろりきがく、Quantum Chromodynamics、QCD）とは強い相互作用を説明する、 SU(3) ゲージ対称性に基づくゲージ場の量子論である。

[編集] 概要

クォークとグルーオンは、カラーチャージ（color charge、色荷）と呼ばれる量子数を持つ。カラーチャージは、光の三原色との類推から「赤」、「青」、「緑」と呼ばれることがある。カラーチャージを持たない状態は「白色」であるとも呼ばれる。これは SU(3) リー代数の表現を分かりやすい言葉で表したものである。クォークは SU(3) の基本表現 $\mathbf{3}$ (三重項)を作り、反クォークは基本表現 $\overline{\mathbf{3}}$ (反三重項)をなす。 $\overline{\mathbf{3}}$ は「色」の類推で言えば「補色」に対応している。グルーオンは随伴表現 $\mathbf{8}$ (八重項)で、「色」と「補色」を共に持つ8つの状態がある。（ $\mathbf{3}\times\overline{\mathbf{3}}$ から、「白色」(一重項)となる組み合わせが取り除かれる。）

カラーチャージはグルーオンと呼ぶゲージ粒子を交換することでやり取りされ、これが強い相互作用の源になっている。この相互作用はカラーチャージ間の距離が小さくなる（交換される運動量が高くなる）と弱くなるという、漸近的自由性を示す。逆に距離が大きくなると相互作用が強まり一定の力に近づく。この結果クォークを単体で取り出すことはできない。これは、現実に観測されるハドロンの状態は「白色」に限られるという、クォークの閉じ込め現象を説明する。

「白色」状態を作るには、三原色を持つクォークと「補色」となるカラーチャージをもつ反粒子とでペアを作る（->メソン）か、3つのクォークを3つの三原色を重ねて「白色」となるようにトリオを作る（->バリオン）かが考えられる。SU(3) の表現論の言葉で言えば、

$\mathbf{3}\times \overline{\mathbf{3}}=\mathbf{1}+\mathbf{8}$

$\mathbf{3}\times\mathbf{3}\times\mathbf{3}=\mathbf{1}+\mathbf{8}+\mathbf{8}+\mathbf{10}$

に現れる $\mathbf{1}$ がそれぞれメソンとバリオンに対応している。グルーオンのみからも「白色」の状態を作ることができる。そのような粒子はグルーボールと呼ばれる。また、これらの他の可能性もあり、それらはエキゾティックであると呼ばれる。2003年に報道されたペンタクォークはエキゾティックな粒子の例である。