En física nuclear y física de partículas , la interacción fuerte , también llamada fuerza nuclear fuerte o fuerza nuclear fuerte , es una interacción fundamental que confina a los quarks en protones , neutrones y otras partículas hadrónicas . La interacción fuerte también une a los neutrones y protones para crear núcleos atómicos, donde se denomina 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 solo alrededor del 1% de la masa de un protón. En el 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 que la gravitación . [1]
En el contexto de los núcleos atómicos, la fuerza une a los protones y neutrones para formar un núcleo y se denomina fuerza nuclear (o fuerza fuerte residual ). [2] Debido a que la fuerza está mediada por mesones masivos y de corta vida 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 de enlace 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 radiactivos e isótopos , aunque a menudo está mediada por la interacción débil. Artificialmente, la energía asociada con la fuerza nuclear se libera parcialmente en la energía nuclear y las armas nucleares , tanto en armas de fisión basadas en uranio o plutonio como en armas de fusión como la bomba de hidrógeno . [3] [4]
Antes de 1971, los físicos no tenían claro cómo se formaba el núcleo atómico. Se sabía que el núcleo estaba compuesto de protones y neutrones y que los protones tenían carga eléctrica positiva , mientras que los neutrones eran eléctricamente neutros. Según los conocimientos de la física de aquella época, las cargas positivas se repelerían entre sí y los protones con carga positiva harían que el núcleo se separara. Sin embargo, esto nunca se observó. Se necesitaba una nueva física para explicar este fenómeno.
Se postuló una fuerza de atracción más fuerte para explicar cómo el núcleo atómico estaba unido a pesar de la repulsión electromagnética mutua de los protones . Esta fuerza hipotética se denominó fuerza fuerte y 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 llamarse el modelo de quarks . [5] La fuerte atracción entre nucleones era el efecto secundario de una fuerza más fundamental que unía a los quarks para formar protones y neutrones. La teoría de la cromodinámica cuántica explica que los quarks llevan lo que se llama una carga de color , aunque no tiene relación con el color visible. [6] Los quarks con carga de color diferente se atraen entre sí como resultado de la interacción fuerte, y la partícula que media esto se llamó gluón .
La interacción fuerte se puede observar en dos rangos, y está mediada por diferentes portadores de fuerza en cada uno. En una escala menor a aproximadamente 0,8 fm (aproximadamente el radio de un nucleón), la fuerza es transportada por 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 de 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) como partículas que se mueven libremente. Esta propiedad de la fuerza fuerte se llama confinamiento de color .
Se utiliza la palabra fuerte porque la interacción fuerte es la "más fuerte" de las cuatro fuerzas fundamentales. A una distancia de 10 −15 m, su intensidad es alrededor de 100 veces la de la fuerza electromagnética , unas 10 6 veces la de la fuerza débil y unas 10 38 veces la de la gravitación .
La fuerza fuerte se describe mediante cromodinámica cuántica (QCD), una parte del modelo estándar de física de partículas. Matemáticamente, la QCD es una teoría de calibración no abeliana basada en un grupo de simetría local (calibración) 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 lugar a diferentes reglas de comportamiento. Estas reglas se describen mediante la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría de las interacciones quark-gluón. A diferencia del fotón en el electromagnetismo, que es neutro, el gluón lleva una carga de color. Los quarks y los gluones son las únicas partículas fundamentales que llevan una carga de color que no desaparece y, por lo tanto, participan en interacciones fuertes solo entre sí. La fuerza fuerte es la expresión de la interacción del gluón con otras partículas de quarks y 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 se modifica por la carga de color de calibración de la partícula, una propiedad de la teoría de grupos .
La fuerza fuerte actúa entre quarks. A diferencia de todas las demás fuerzas (electromagnética, débil y gravitacional), la fuerza fuerte no disminuye en intensidad al aumentar la distancia entre pares de quarks. Después de que se ha alcanzado una distancia límite (aproximadamente del tamaño de un hadrón ), permanece con una intensidad de aproximadamente10 000 N , sin importar cuánto más lejos esté la distancia entre los quarks. [7] : 164 A medida que la separación entre los quarks crece, la energía agregada al par crea nuevos pares de quarks coincidentes entre los dos originales; por lo 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 de partículas y antipartículas en una distancia muy corta. La energía añadida al sistema al separar dos quarks crearía un par de quarks nuevos que se emparejarían con los originales. En QCD, este fenómeno se llama confinamiento de color ; como resultado, solo se pueden observar hadrones, no quarks libres individuales. El fracaso de todos los experimentos que han buscado quarks libres se considera una prueba de este fenómeno.
Las partículas elementales de quarks y gluones que participan en una colisión de alta energía no son directamente observables. La interacción produce chorros de hadrones recién creados que sí son observables. Esos hadrones se crean, como una manifestación de la equivalencia masa-energía, cuando se deposita suficiente energía en un enlace quark-quark, como cuando un quark de 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 y gluones . [8]
Si bien el confinamiento por color implica que la fuerza fuerte actúa sin disminución de la distancia entre pares de quarks en conjuntos compactos de quarks ligados (hadrones), a distancias cercanas o mayores que el radio de un protón, permanece una fuerza residual (descrita a continuación). Se manifiesta como una fuerza entre los hadrones "incoloros" y se 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 para formar protones y neutrones. Esta misma fuerza es mucho más débil entre neutrones y protones, porque se neutraliza en su mayor parte 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 en asociación 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 una expresión simple para esto; véase el potencial de Yukawa . La rápida disminución con la distancia de la fuerza residual atractiva y la disminución menos rápida de la fuerza electromagnética repulsiva que actúa entre protones dentro de un núcleo, causa la inestabilidad de los núcleos atómicos más grandes, como todos aquellos con números atómicos mayores de 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 es significativamente diferente de las masas sumadas de los nucleones individuales. Este defecto de masa se debe a la energía potencial asociada con la fuerza nuclear. Las diferencias entre los defectos de masa impulsan la fusión nuclear y la fisión nuclear .
Las llamadas teorías de gran unificación (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 de Glashow-Weinberg-Salam en la interacción electrodébil . La interacción fuerte tiene una propiedad llamada libertad asintótica , en la que la fuerza 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 energía de gran unificación . Sin embargo, aún no se ha formulado con éxito ninguna teoría de gran unificación para describir este proceso, y la gran unificación sigue siendo un problema sin resolver en física .
Si la teoría cuántica universal está en lo cierto, después del Big Bang y durante la época electrodébil del universo, la fuerza electrodébil se separó de la fuerza fuerte. Por consiguiente, se plantea la hipótesis de que antes de esto existió una época de gran unificación .
inventar 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.
