量子色动力学（QCD）是描述夸克与胶子之间强相互作用的量子场论。它构成了标准模型中的强相互作用部分，并解释了称为强子的复合粒子（包括质子和中子）背后的动力学机制。其显著特征是：在足够短的距离上，有效相互作用较弱；而在通常条件下，带色粒子受到禁闭。这些特征将物质的微观组成与强相互作用粒子的可观测性质联系起来。(energy.gov)
色与规范结构
量子色动力学是一种对称群为 SU(3) 的非阿贝尔规范理论。夸克携带色荷，通常分别标记为红、绿、蓝；反夸克则携带相应的反色。这些名称表示的是内部量子态，而非肉眼可见的颜色。色既不同于电荷，也不同于夸克的味：夸克有上、下、奇、粲、底、顶六种味。(pdg.lbl.gov)
强相互作用由八种胶子场传递。与量子电动力学中不带电的光子不同，胶子本身携带与其所传递的相互作用相对应的荷，因此胶子之间也会发生相互作用。这种自相互作用是量子色动力学在不同尺度上呈现不同性质的关键。其局域动力学由一个拉格朗日量描述，其中包含夸克的动能项和质量项、夸克—胶子相互作用项，以及胶子的动能项和自相互作用项。(pdg.lbl.gov)
可观测的孤立强子都是色单态，即其整体状态在色变换下保持不变。普通重子具有三个价夸克，普通介子则具有一个夸克和一个反夸克。这种分类描述的是价夸克组成，而非一份完整且固定不变的组分清单；强子内部还存在胶子场以及夸克—反夸克的贡献。(alicepublic.web.cern.ch)
渐近自由与禁闭
有效强耦合取决于测量它时所涉及的动量尺度。重整化描述了这种尺度依赖性。在大动量转移下，耦合变弱，这一性质称为渐近自由。因此，对于距离足够短的过程，可以运用微扰理论，将预测结果按耦合的幂次展开。这并不意味着普通强子内部的夸克不再相互作用，而是表明存在一个适用范围，在其中可以对特定过程作出误差可控的近似。(nobelprize.org)
在较长距离上，微扰理论不再可靠，而色禁闭则是普通强子物质的特征。夸克和胶子不会作为孤立的带色粒子被探测到。格点计算表明，若不考虑动力学夸克对的影响，两个静止夸克源之间的势能会随其间距增大而近似线性上升，对应于一条色通量管。若考虑动力学夸克，当间距足够大时，则可能产生新的夸克—反夸克对，使通量管断裂，形成色中性的强子。(pdg.web.cern.ch)
高能夸克和胶子转化为可观测强子的过程称为强子化。它将短距离碰撞过程与可测量的末态联系起来，需要借助非微扰信息或唯象模型来描述。渐近自由和禁闭描述的是同一理论在不同条件下的表现；仅凭前者并不能在数学上证明后者。(pdg.lbl.gov)
强子结构与质量的起源
人们常说质子包含两个上夸克和一个下夸克，这一说法确定的是质子的价夸克量子数。质子的完整结构是一个由夸克、反夸克和胶子组成的系统，其中各组分不断涨落并相互作用。它们的分布取决于探测质子的实验所采用的分辨尺度。(energy.gov)
质子和中子的质量大部分源于量子色动力学的动力学机制，而不是简单地将其轻价夸克的微小质量相加。根据质能等价，相互作用的夸克—胶子系统所具有的能量会对系统的静止质量作出贡献。解释这种涌现的质量是量子色动力学的一项重要应用。原子核内核子之间的吸引力同样与强相互作用有关，但它是色中性复合粒子之间的剩余相互作用，而不是自由夸克之间的直接束缚。(energy.gov)
计算方法与实验检验
格点量子色动力学通过将欧几里得时空离散化并对场构型进行数值计算，提供了一种非微扰研究方法。计算必须控制有限体积效应、非零格距效应、统计不确定性以及参数调节所带来的影响。取连续极限可以消除计算中的离散化效应；使用格点并不意味着物理时空在根本上就是一个网格。其应用包括计算强子质量、衰变常数和跃迁形状因子，以及确定夸克质量和强耦合。(pdg.lbl.gov)
高能实验通过考察粒子产生率、角分布，以及称为粒子喷注的准直强子簇射来检验理论。计算将短距离相互作用与有关强子结构和强子化的信息分开处理。理论预测与这些不同可观测量的一致性，同时检验了理论中的相互作用及其尺度依赖性。在对撞机实验中，要将已知的强相互作用过程与其他信号区分开来，量子色动力学的预测也不可或缺。(pdg.lbl.gov)
历史发展与极端条件
量子色动力学在夸克模型、色的概念以及高能散射实验证据的基础上，于 1972—1973 年形成了明确的理论。1973 年，戴维·格罗斯和弗兰克·维尔切克，以及独立开展研究的戴维·波利策，确立了非阿贝尔规范理论中的渐近自由性质。他们因这一发现共同获得了 2004 年诺贝尔物理学奖。(arxiv.org)
在足够高的温度和能量密度下，物质可以形成夸克—胶子等离子体，其中夸克和胶子不再被禁闭在各个强子内部。重离子碰撞能够重现这种状态，以供实验研究。解除禁闭并不意味着形成了没有相互作用的气体：测量结果显示，这种物质具有显著的集体行为，并会与高能喷注发生强烈的相互作用。这些实验探究了量子色动力学的微观规律如何产生高温强相互作用物质的宏观性质。(alicepublic.web.cern.ch)