强大的力量到底有多强？

在标准模型的三种规范耦合中，夸克和胶子之间的规范耦合是迄今为止最不为人所知的。哈维·迈耶 (Harvey Meyer) 讲述了晶格 QCD 最近确定为千分之五的背后数十年的历程。更小的世界 Thomas Wright 于 1750 年雕刻的一系列有界世界。物理学家现在已经确定了一系列微小宇宙中的强耦合，每个微小宇宙都是独立模拟的。图片来源：斯宾塞收藏，纽约公共图书馆。 “Plate XVII”纽约公共图书馆数字馆藏。 1750。https://digitalcollections.nypl.org/items/783751f0-c60a-012f-e5fc-58d385a7bc34。近距离碰撞中两个夸克之间的力与两个电子之间的力相同，但强度要大得多。人们对它的了解也远不那么准确。虽然电磁精细结构常数的测量精度已超过十亿分之一，但强耦合 α s 的了解度仅为百分之一。在大型强子对撞机中，由于发生了大量的质子-质子碰撞，许多过程速率现在都以百分比水平进行测量。强耦合的不确定性逐渐成为理论瓶颈。高亮度大型强子对撞机和未来的希格斯工厂（例如拟议的 FCC-ee）仍将要求更高的精度，因为新物理学首先可能会表现为测量与预测之间的微小差异。最近发表在《自然》杂志上的一项计算现在仅使用低能量输入将 α 的不确定性降低到千分之五。因此，该值可以输入对撞机预测，而无需拟合对撞机数据。质子之间的力并不是基本的。远高于其质量尺度的碰撞会将它们分解成夸克，并由强力载体胶子结合在一起。因此，如果没有描述这种相互作用的标准模型 (SM) 部分，即量子色动力学 (QCD)，几乎无法理解强子对撞机的任何过程。在 QCD 中，两个夸克、两个胶子或一个夸克和一个胶子之间的力的强度由单个耦合 α s 参数化。因此，预测涉及这些粒子的任何过程的横截面都需要该常数的精确输入值。例如，胶子聚变——在大型强子对撞机上产生最多希格斯玻色子的过程——通过虚拟顶夸克环进行，其概率与 α s 2 成正比。在晶格上 在晶格 QCD 中，夸克场存在于网格的位置上，而胶子场则存在于它们之间的连接处。被拉开的夸克 q 和反夸克 q̅ 仍然由通量管连接在一起，其能量随着距离的增加而稳定增长，并且没有夸克被释放。当拉伸得足够远时，管子就会折断，其能量会以新的强子的形式显现出来。图片来源：D De Biasio 强耦合具有一种不寻常的特性，继承自 QCD 和量子电动力学之间的结构差异。与电中性光子不同，胶子携带颜色，即它们介导的电荷，因此它们之间相互作用。这导致耦合随着色荷彼此接近而减弱，并随着色荷分离而增强。在碰撞中，夸克和胶子之间传递的动量决定了探测距离，以及必须评估 α s 的尺度。参考尺度的传统选择是 Z 玻色子质量，Q = M Z = 91.2 GeV（自然单位）。粒子数据组 (PDG) 的当前 α s 世界平均值为 0.1180 ± 0.0009。因此精度为千分之 7.6。在高动量传递中，夸克和胶子的行为几乎与自由粒子一样，耦合的弱点被称为“渐近自由”，并且使得精确计算成为可能，如 α s 的幂展开。相比之下，在低于 GeV 的传递时，耦合增长到一阶，α s 幂的微扰膨胀被破坏，任何用夸克和胶子的描述都失去了所有可预测性。强相互作用通过将夸克和胶子限制在束缚强子内来强化这一限制，并且只有这些复合材料才能在粒子探测器中看到。它们包括质子和中子，还包括π介子、介子和整个物种动物园，最近在对撞机实验中发现了四夸克和五夸克（CERN Courier 2024年11月/12月第33页）。网格上的时空 在低能量下失败的是微扰膨胀，而不是 QCD 本身。该理论可以预测束缚态的质量和关键性质，但提取这些量需要一个不限于弱耦合体系的公式。这是 Kenneth Wilson 在 1974 年发表的具有里程碑意义的论文中提供的。这个想法是将空间和时间近似为具有小间距的四维点阵，然后将其发送到零以恢复连续的时空（参见“在点阵上”图）。晶格封闭在有限的体积中，将 QCD 降低到有限的自由度。该理论的预测