En física nuclear y física de partículas , la interacción fuerte , también llamada fuerza fuerte o fuerza nuclear fuerte , es una interacción fundamental que confina a los quarks en protones , neutrones y otras partículas de hadrones . La interacción fuerte también une neutrones y protones para crear núcleos atómicos, donde se llama fuerza nuclear .
La mayor parte de la masa de un protón o neutrón es el resultado de la energía de interacción fuerte; Los quarks individuales proporcionan sólo alrededor del 1% de la masa de un protón. En un rango de 10 −15 m (1 femtómetro , un poco más que el radio de un nucleón ), la fuerza fuerte es aproximadamente 100 veces más fuerte que el electromagnetismo , 10 6 veces más fuerte que la interacción débil y 10 38 veces más fuerte. como gravitación . [1]
En el contexto de los núcleos atómicos, la fuerza une a los protones y neutrones para formar un núcleo y se llama fuerza nuclear (o fuerza fuerte residual ). [2] Debido a que la fuerza está mediada por mesones masivos y de vida corta en esta escala, la interacción fuerte residual obedece a un comportamiento dependiente de la distancia entre nucleones que es bastante diferente de cuando actúa para unir quarks dentro de hadrones. También existen diferencias en las energías vinculantes de la fuerza nuclear con respecto a la fusión nuclear frente a la fisión nuclear . La fusión nuclear representa la mayor parte de la producción de energía en el Sol y otras estrellas . La fisión nuclear permite la desintegración de elementos e isótopos radiactivos , aunque suele estar mediada por la interacción débil. Artificialmente, la energía asociada a la fuerza nuclear se libera parcialmente en la energía nuclear y en las armas nucleares , tanto en las armas de fisión basadas en uranio o plutonio como en las armas de fusión como la bomba de hidrógeno . [3] [4]
Antes de 1971, los físicos no estaban seguros de cómo se unía el núcleo atómico. Se sabía que el núcleo estaba compuesto de protones y neutrones y que los protones poseían carga eléctrica positiva , mientras que los neutrones eran eléctricamente neutros. Según la comprensión de la física de aquella época, las cargas positivas se repelerían entre sí y los protones cargados positivamente deberían hacer que el núcleo se separara. Sin embargo, esto nunca se observó. Se necesitaba nueva física para explicar este fenómeno.
Se postuló una fuerza de atracción más fuerte para explicar cómo se unía el núcleo atómico a pesar de la repulsión electromagnética mutua de los protones . Esta fuerza hipotética se llamó fuerza fuerte , que se creía que era una fuerza fundamental que actuaba sobre los protones y neutrones que forman el núcleo.
En 1964, Murray Gell-Mann , y por separado George Zweig , propusieron que los bariones , que incluyen protones y neutrones, y los mesones estaban compuestos de partículas elementales. Zweig llamó a las partículas elementales "ases", mientras que Gell-Mann las llamó "quarks"; la teoría pasó a denominarse modelo de quarks . [5] La fuerte atracción entre los nucleones fue el efecto secundario de una fuerza más fundamental que unió los quarks en protones y neutrones. La teoría de la cromodinámica cuántica explica que los quarks llevan lo que se llama carga de color , aunque no tiene relación con el color visible. [6] Los quarks con cargas de colores diferentes se atraen entre sí como resultado de la interacción fuerte, y la partícula que media esto se llamó gluón .
La fuerte interacción es observable en dos distancias y está mediada por diferentes portadores de fuerza en cada una. En una escala inferior a aproximadamente 0,8 fm (aproximadamente el radio de un nucleón), la fuerza la transportan los gluones y mantiene unidos a los quarks para formar protones, neutrones y otros hadrones. En una escala mayor, hasta aproximadamente 3 fm, la fuerza es transportada por mesones y une a los nucleones ( protones y neutrones ) para formar el núcleo de un átomo . [2] En el primer contexto, a menudo se la conoce como fuerza del color , y es tan fuerte que si los hadrones son golpeados por partículas de alta energía, producen chorros de partículas masivas en lugar de emitir sus constituyentes (quarks y gluones) con tanta libertad. partículas en movimiento. Esta propiedad de la fuerza fuerte se llama confinamiento del color .
La palabra fuerte se utiliza porque la interacción fuerte es la "más fuerte" de las cuatro fuerzas fundamentales. A una distancia de 10 −15 m, su fuerza es aproximadamente 100 veces mayor que la de la fuerza electromagnética , unas 10 6 veces mayor que la de la fuerza débil y aproximadamente 10 38 veces mayor que la de la gravitación .
La fuerza fuerte se describe mediante la cromodinámica cuántica (QCD), una parte del modelo estándar de física de partículas. Matemáticamente, QCD es una teoría de calibre no abeliana basada en un grupo de simetría local (de calibre) llamado SU(3) .
La partícula portadora de fuerza de la interacción fuerte es el gluón, un bosón de calibre sin masa . Se cree que los gluones interactúan con los quarks y otros gluones mediante un tipo de carga llamada carga de color . La carga de color es análoga a la carga electromagnética, pero se presenta en tres tipos (±rojo, ±verde y ±azul) en lugar de uno, lo que da como resultado reglas de comportamiento diferentes. Estas reglas se describen en la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría de las interacciones quark-gluón. A diferencia del fotón del electromagnetismo, que es neutro, el gluón lleva una carga de color. Los quarks y los gluones son las únicas partículas fundamentales que portan una carga de color que no desaparece y, por lo tanto, participan en interacciones fuertes sólo entre sí. La fuerza fuerte es la expresión de la interacción de los gluones con otros quarks y partículas de gluones.
Todos los quarks y gluones en QCD interactúan entre sí a través de la fuerza fuerte. La fuerza de la interacción está parametrizada por la constante de acoplamiento fuerte . Esta fuerza es modificada por la carga de color de la partícula, una propiedad teórica de grupo .
La fuerza fuerte actúa entre quarks. A diferencia de todas las demás fuerzas (electromagnéticas, débiles y gravitacionales), la fuerza fuerte no disminuye en intensidad al aumentar la distancia entre pares de quarks. Después de alcanzar una distancia límite (aproximadamente del tamaño de un hadrón ), permanece con una fuerza de aproximadamente10 000 N , sin importar cuánta mayor sea la distancia entre los quarks. [7] : 164 A medida que crece la separación entre los quarks, la energía agregada al par crea nuevos pares de quarks coincidentes entre los dos originales; por tanto, es imposible aislar quarks. La explicación es que la cantidad de trabajo realizado contra una fuerza de10.000 N son suficientes para crear pares partícula-antipartícula en una distancia muy corta. La energía agregada al sistema al separar dos quarks crearía un par de nuevos quarks que se emparejarán con los originales. En QCD, este fenómeno se denomina confinamiento del color ; como resultado, sólo se pueden observar hadrones, no quarks libres individuales. Una prueba de este fenómeno se considera el fracaso de todos los experimentos en los que se han buscado quarks libres .
Las partículas elementales de quarks y gluones involucradas en una colisión de alta energía no son directamente observables. La interacción produce chorros de hadrones recién creados que son observables. Esos hadrones se crean, como manifestación de la equivalencia masa-energía, cuando se deposita suficiente energía en un enlace quark-quark, como cuando un quark en un protón es golpeado por un quark muy rápido de otro protón que impacta durante un experimento con un acelerador de partículas . Sin embargo, se han observado plasmas de quarks-gluones . [8]
Si bien el confinamiento del color implica que la fuerza fuerte actúa sin disminución de la distancia entre pares de quarks en colecciones compactas de quarks unidos (hadrones), a distancias cercanas o mayores que el radio de un protón, permanece una fuerza residual (descrita a continuación). Esta fuerza residual disminuye rápidamente con la distancia y, por lo tanto, es de muy corto alcance (en realidad, unos pocos femtómetros). Se manifiesta como una fuerza entre los hadrones "incoloros", y se la conoce como fuerza nuclear o fuerza fuerte residual (e históricamente como fuerza nuclear fuerte ).
La fuerza nuclear actúa entre hadrones, conocidos como mesones y bariones . Esta "fuerza fuerte residual", actuando indirectamente, transmite gluones que forman parte de los mesones virtuales π y ρ , que, a su vez, transmiten la fuerza entre nucleones que mantiene unido el núcleo (más allá del núcleo de hidrógeno-1 ). [9]
La fuerza fuerte residual es, por tanto, un residuo menor de la fuerza fuerte que une a los quarks en protones y neutrones. Esta misma fuerza es mucho más débil entre neutrones y protones, porque está en su mayor parte neutralizada dentro de ellos, de la misma manera que las fuerzas electromagnéticas entre átomos neutros ( fuerzas de van der Waals ) son mucho más débiles que las fuerzas electromagnéticas que mantienen a los electrones asociados con el núcleo. , formando los átomos. [7]
A diferencia de la fuerza fuerte, la fuerza fuerte residual disminuye con la distancia y lo hace rápidamente. La disminución es aproximadamente como una potencia exponencial negativa de la distancia, aunque no se conoce ninguna expresión simple para esto; Ver potencial de Yukawa . La rápida disminución con la distancia de la fuerza residual de atracción y la disminución menos rápida de la fuerza electromagnética repulsiva que actúa entre los protones dentro de un núcleo, provoca la inestabilidad de los núcleos atómicos más grandes, como todos aquellos con números atómicos superiores a 82 (el elemento plomo). .
Aunque la fuerza nuclear es más débil que la propia interacción fuerte, sigue siendo muy energética: las transiciones producen rayos gamma . La masa de un núcleo difiere significativamente de la suma de las masas de los nucleones individuales. Este defecto de masa se debe a la energía potencial asociada a la fuerza nuclear. "Las diferencias entre los defectos de masa impulsan la fusión nuclear y la fisión nuclear ".
Las llamadas Grandes Teorías Unificadas (GUT) tienen como objetivo describir la interacción fuerte y la interacción electrodébil como aspectos de una sola fuerza, de manera similar a cómo las interacciones electromagnéticas y débiles fueron unificadas por el modelo Glashow-Weinberg-Salam en interacción electrodébil . La interacción fuerte tiene una propiedad llamada libertad asintótica , en la que la intensidad de la fuerza fuerte disminuye a energías (o temperaturas) más altas. La energía teorizada donde su fuerza se vuelve igual a la interacción electrodébil es la gran energía de unificación . Sin embargo, todavía no se ha formulado con éxito ninguna Gran Teoría Unificada para describir este proceso, y la Gran Unificación sigue siendo un problema sin resolver en física .
Si GUT está en lo cierto, después del Big Bang y durante la época electrodébil del universo, la fuerza electrodébil se separó de la fuerza fuerte. En consecuencia, se supone que existió una gran época de unificación antes de esto.
Los físicos idiotas, incapaces de encontrar ya ninguna palabra griega maravillosa, llaman a este tipo de polarización con el desafortunado nombre de "color", que no tiene nada que ver con el color en el sentido normal.
