素粒子物理学

量子色力学（QCD）

QCDは色荷を持つクォークとグルーオンの強い相互作用を記述し、閉じ込めと漸近的自由が中心的特徴です。

量子色力学（QCD）は強い相互作用のゲージ理論です。クォークは色荷を持ち、グルーオンを交換して相互作用します。光子と異なり、グルーオン自身も色荷を持ち互いに相互作用します。

閉じ込めと漸近的自由

大きな距離では強い相互作用はクーロン力のようには弱まらず、場のエネルギーが距離とともに増すため、孤立クォークは観測されません（閉じ込め）。非常に高いエネルギー・短距離では有効結合が小さくなり、クォークはほぼ自由に振る舞います。高エネルギー衝突はシャワーとハドロン化を生みます。

高いエネルギースケールでは強結合 $α_s(Q)$ が小さく、摂動論でジェット過程をよく予測できます。クォークが飛び出してスケールが下がると結合が強まり、色場がクォーク・反クォーク対をさらに作ります。そのシャワーは無色の粒子へハドロン化します。したがって検出器が記録するのは孤立クォークではなく、ジェットと呼ばれる粒子群です。

グルーオンの独立な色状態は9つでなく8つです。色一重項の単位行列は特殊ユニタリ群 $SU(3)$ に含まれないためです。活動フレーバー数が十分少ないと、グルーオンの自己相互作用によりQCDのβ関数は負となり、短距離で結合が弱まります。漸近的自由は長距離での閉じ込めをなくすものではなく、格子計算などの非摂動手法が必要です。