A színtöltés a részecskefizikában a gluonoknak és a kvarkoknak a kvantum színdinamikával (QCD) kapcsolatos SU(3)-töltés jellegű mennyisége, a szín-SU(3)-szimmetria Noether-töltése.
A közönséges színnel való analógia kapcsán, miszerint a színek kikeverhetők három alapszínből, a három alapállapotot szokás a vörös, zöld és kék szavakkal megjelölni. Az analógia azonban csak külsődleges, semmi köze sincs a részecskék optikai tulajdonságaihoz.
Története
Az 1964-ben megalkotott Gell-Mann–Zweig-modellel, a kvarkmodellel volt egy súlyos elméleti probléma. A bariondekuplett sértette a Pauli-elvet. A Δ++ hiperon 3 u kvarkból, a Δ− 3 d kvarkból, az Ω− hiperon pedig 3 s kvarkból áll. Ezek kvarkíz-hullámfüggvénye tehát szimmetrikus az alkotórészek tetszőleges felcserélésével szemben, mivel a kvark ugyanabban az ízállapotban van. Természetesen igaz ez a dekuplett többi tagjának ízhullámfüggvényére is, de ezen a három barionon ez szemléletesen látszik. De ugyanez a helyzet a spin-hullámfüggvényükkel is, hiszen mindhárom kvark spinje (½) azonos irányban áll, így adják ki a hiperon 3/2-es spinjét. A térhullámfüggvényük is teljesen szimmetrikus, mivel a kvarkok relatív pálya-impulzusmomentuma nulla. Azaz ezen hiperonok teljes hullámfüggvénye teljesen szimmetrikus, holott a Pauli-elv szerint teljesen antiszimmetrikusnak kellene lennie, hiszen feles spinű részecskék, azaz fermionok rendszeréről van szó.
1964-ben Oscar Wallace Greenberg feltette, hogy a kvarkoknak van még egy SU(3)-szimmetriához kapcsolódó töltése. A színhez kapcsolódó színhullámfüggvényről feltéve, hogy az mindig szingulett, azaz antiszimmetrikus, sikerült megoldani a bariondekuplett Pauli-elvet sértő tulajdonságát, hiszen az eddig teljesen szimmetrikus hullámfüggvényhez hozzáadva az új antiszimmetrikus részt, az új teljes hullámfüggvény immár antiszimmetrikus lett.
Analógia más töltéstípusokkal
A színtöltés bizonyos értelemben analógiája a részecskék elektromos töltésének a kvantum-elektrodinamika területéről, amely viszont egy U(1)-szimmetriához, a mértékszabadsághoz kötődik. A különbség az, hogy egy U(1) töltés egy elemi töltés tetszőleges valós számszorosa lehet elvileg, egy SU(3)-töltés viszont három különböző állapot valamelyike, vagy normált keveréke.
Matematikailag a színtöltés teljesen analóg a kvarkmodell 3 kvarkot tartalmazó változatával, a Gell-Mann–Zweig-modellel, mivel mindkettő egy-egy SU(3) szimmetrián alapul, az íz-SU(3)- illetve a szín-SU(3)-szimmetrián. Hasonló matematikai analógia létezik a spin és az izospin között, mivel mindkettőt egy-egy SU(2)-szimmetria, a térbeli SO(3)-szimmetria kiterjesztését képviselő spin-SU(2)-, illetve az izospin-SU(2)-, azaz az íz-SU(2)-szimmetria jellemzi.
Kvarkbezárás
A Pauli-elvvel kapcsolatos problémán túl a kvarkbezárás tapasztalati tényére is formális megoldást adott annak feltételezése, hogy nemcsak a bariondekuplett, hanem minden megfigyelhető részecske színállapota szingulett („fehér”) kell legyen. Barionok (három kvark) esetén ez mindig piros–kék–zöld színösszetételt, mezonok (kvark–antikvark) esetén pedig szín–antiszín (vörös–antivörös, kék–antikék, zöld–antizöld) állapotot követelt meg.
Jegyzetek
Források
További információk
Howard Georgi, Lie algebras in particle physics, (1999) Perseus Books Group, . David J. Griffiths, Introduction to Elementary Particles, (1987) John Wiley & Sons, New York J. Richard Christman, Color and Charm, (2001) Project PHYSNET document MISN-0-283.
Kategória:Töltés jellegű mennyiségek