量子色動力學
/ KWON-tum kroh-moh-dy-NAM-iks /
量子色動力學（QCD）是強力的理論——是規範夸克與膠子如何交互作用、又如何把自己鎖進質子、中子及其他所有強子的規則手冊。「色」（chromo）源自希臘文的顏色，是給強力荷取的一個俏皮名字，這種荷有三種，暱稱為紅、綠、藍。它與可見的顏色毫無關係，只是替一種性質貼的標籤，這性質在強力中扮演的角色，就如電荷在電磁中的角色。QCD 解釋了普通物質最深的一層——原子核為什麼能存在。
QCD 是建立在色對稱群 SU(3) 上的非阿貝爾規範理論。夸克以色三重態變換，八個膠子以色八重態變換，交互作用強度由強耦合常數 alpha_s 決定。它的招牌特徵是這個耦合隨能量強烈變化：alpha_s 在高能量或短距離下變小——漸近自由，Gross、Wilczek 與 Politzer 因此共享 2004 年諾貝爾獎——而在低能量下變大。這意味著在高能量下夸克表現得幾乎像自由粒子，計算可以用微擾方式進行；而在低能量下耦合大到微擾理論失效，夸克被束縛得緊到永遠無法逃脫。
這種兩面性正是為什麼 QCD 既美麗地可預測、又頑固地難算。像對撞機上的噴流產生這類高能過程，可以從費曼圖高精度地算出；但質子的質量、強子的能譜、以及禁閉的本質，都需要非微擾地求解這個理論，最成功的方法是格點 QCD，它在離散化的時空格點上模擬這些場。一個關鍵的誠實：可見宇宙的質量大部分是 QCD 束縛能，而非希格斯所賦予的夸克質量——質子遠重於它幾個夸克質量的總和，靠的是儲存在膠子場中的能量。
當一個電子與一個正子在高能量下湮滅並產生一個夸克與一個反夸克時，你永遠偵測不到夸克本身；QCD 的禁閉把它們變成兩束背對背的強子噴灑，稱為噴流（jet），其能量與方向忠實地追溯出原本的夸克。
噴流是 QCD 的指紋：夸克與膠子只能以準直的強子簇射形式現身。
以數學嚴格證明 QCD 具有質量間隙並禁閉夸克，是一個尚未解決的問題——克雷數學研究所千禧年大獎難題之一——所以禁閉雖然有實驗與模擬的壓倒性支持，卻還不是一條定理。