Fuerte interacción

El núcleo de un átomo de helio. Los dos protones tienen la misma carga, pero siguen juntos debido a la fuerza nuclear residual

La interacción fuerte o fuerza fuerte es una interacción fundamental que confina a los quarks en partículas de protones, neutrones y otros hadrones. La interacción fuerte también une neutrones y protones para crear núcleos atómicos, donde se denomina fuerza nuclear.

La mayor parte de la masa de un protón o neutrón común es el resultado de la fuerte energía de interacción; los quarks individuales proporcionan solo alrededor del 1% de la masa de un protón. En el rango de 10⁻¹⁵ m (un poco más que el radio de un nucleón), la fuerza fuerte es aproximadamente 100 veces más fuerte que el electromagnetismo, 10⁶ veces más fuerte como la interacción débil, y 10³⁸ veces más fuerte que la gravitación.

La fuerte interacción es observable en dos rangos y está mediada por dos portadores de fuerza. En una escala mayor (de alrededor de 1 a 3 fm), es la fuerza (transportada por los mesones) que une los protones y los neutrones (nucleones) para formar el núcleo de un átomo. En la escala más pequeña (menos de aproximadamente 0,8 fm, el radio de un nucleón), es la fuerza (transportada por gluones) que mantiene unidos a los quarks para formar protones, neutrones y otras partículas de hadrones. En este último contexto, a menudo se le conoce como la fuerza del color. La fuerza fuerte tiene inherentemente una fuerza tan alta que los hadrones unidos por la fuerza fuerte pueden producir nuevas partículas masivas. Por lo tanto, si los hadrones son golpeados por partículas de alta energía, dan lugar a nuevos hadrones en lugar de emitir radiación de movimiento libre (gluones). Esta propiedad de la fuerza fuerte se denomina confinamiento de color e impide la libre "emisión" de la fuerza fuerte: en cambio, en la práctica, se producen chorros de partículas masivas.

En el contexto de los núcleos atómicos, la misma fuerte fuerza de interacción (que une a los quarks dentro de un nucleón) también une protones y neutrones para formar un núcleo. En esta capacidad se le llama fuerza nuclear (o fuerza fuerte residual). Entonces, el residuo de la fuerte interacción entre los protones y los neutrones también une los núcleos. Como tal, la interacción fuerte residual obedece a un comportamiento dependiente de la distancia entre los nucleones que es bastante diferente de cuando actúa para unir quarks dentro de los nucleones. Además, existen distinciones en las energías de enlace de la fuerza nuclear de 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 descomposición de elementos e isótopos radiactivos, aunque a menudo está mediada por la interacción débil. Artificialmente, la energía asociada a la fuerza nuclear se libera parcialmente en la energía nuclear y las armas nucleares, tanto en las armas de fisión a base de uranio o plutonio como en las armas de fusión como la bomba de hidrógeno.

La interacción fuerte está mediada por el intercambio de partículas sin masa llamadas gluones que actúan entre quarks, antiquarks y otros gluones. Se cree que los gluones interactúan con los quarks y otros gluones a través de un tipo de carga llamada carga de color. La carga de color es análoga a la carga electromagnética, pero viene en tres tipos (±rojo, ±verde y ±azul) en lugar de uno, lo que da como resultado un tipo diferente de fuerza, con diferentes reglas de comportamiento. Estas reglas se detallan en la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD), que es la teoría de las interacciones quark-gluon.

Historia

Antes de 1971, los físicos no estaban seguros de cómo se unía el núcleo atómico. Se sabía que el núcleo estaba compuesto por protones y neutrones y que los protones poseían carga eléctrica positiva, mientras que los neutrones eran eléctricamente neutros. Según la comprensión de la física en ese momento, las cargas positivas se repelerían entre sí y los protones con carga positiva 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 los protones' repulsión electromagnética mutua. Esta fuerza hipotética se denominó 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 George Zweig propusieron el modelo de quarks, que sostiene que los protones y los neutrones (junto con otras partículas subatómicas llamadas hadrones y mesones) en realidad están formados por partículas más pequeñas llamadas quarks. La fuerte atracción entre los nucleones fue el efecto secundario de una fuerza más fundamental que unió a los quarks en 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. Los quarks con diferente carga de color se atraen entre sí como resultado de la fuerte interacción, y la partícula que media en esto se llama gluón.

Comportamiento de la fuerza fuerte

Los acoplamientos fundamentales de la fuerte interacción, de izquierda a derecha: radiación de gluón, división de gluones y auto-golpe de gluón.

Se usa la palabra fuerte ya que la interacción fuerte es la "más fuerte" de las cuatro fuerzas fundamentales. A una distancia de 10⁻¹⁵ m, su intensidad es unas 100 veces mayor que la de la fuerza electromagnética, unas 10⁶ veces mayor que la de la fuerza débil y aproximadamente 10³⁸ veces la de la gravedad.

La fuerza fuerte se describe mediante 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. 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 se desvanece 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 es modificada por la carga de color calibre de la partícula, una propiedad teórica de grupo.

La fuerza fuerte actúa entre los quarks. A diferencia de todas las demás fuerzas (electromagnética, débil y gravitacional), la fuerza fuerte no disminuye al aumentar la distancia entre los pares de quarks. Después de alcanzar una distancia límite (aproximadamente del tamaño de un hadrón), permanece con una fuerza de aproximadamente 10 000 newtons (N), sin importar cuánto más lejos esté la distancia entre los quarks. A medida que crece la separación entre los quarks, la energía añadida al par crea nuevos pares de quarks coincidentes entre los dos originales; por lo tanto, es imposible aislar los quarks. La explicación es que la cantidad de trabajo realizado contra una fuerza de 10 000 newtons es suficiente para crear pares de partículas y antipartículas a una distancia muy corta de esa interacción. La misma energía añadida al sistema necesaria para separar dos quarks crearía un par de nuevos quarks que se emparejarían con los originales. En QCD, este fenómeno se denomina 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 evidencia de este fenómeno.

Las partículas elementales de quarks y gluones involucradas en una colisión de alta energía no son observables directamente. 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.

Fuerza fuerte residual

Una animación de la interacción de la fuerza nuclear (o fuerza fuerte residual) entre un protón y un neutron. Los pequeños círculos dobles de colores son gluones, que se pueden ver encuadernando el protón y el neutron juntos. Estos gluones también sostienen la combinación quark/antiquark llamada el pion juntos, y así ayudan a transmitir una parte residual de la fuerza fuerte incluso entre los hadrones incoloros. Los anticolores se muestran como en este diagrama. Para una versión más grande, haga clic aquí

Contrariamente a la descripción anterior de la independencia de la distancia, en el universo posterior al Big Bang no se da el caso de que todos los quarks del universo atraigan a todos los demás quarks. El confinamiento de color implica que la fuerza fuerte actúa sin disminución de la distancia solo entre pares de quarks, y que en colecciones compactas de quarks enlazados (hadrones), la carga neta de color de los quarks esencialmente se anula, lo que resulta en un límite de la acción de los quarks. las fuerzas de color: desde distancias que se aproximan o son mayores que el radio de un protón, las colecciones compactas de quarks (hadrones) que interactúan con el color parecen tener colectivamente ninguna carga de color, o "incoloro", y el fuerte por lo tanto, la fuerza está casi ausente entre esos hadrones. Sin embargo, la cancelación no es del todo perfecta y queda una fuerza residual (descrita a continuación). Esta fuerza residual sí disminuye rápidamente con la distancia y, por lo tanto, es de muy corto alcance (efectivamente, unos pocos femtómetros). Se manifiesta como una fuerza entre el "incoloro" hadrones, 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 al núcleo (más allá del núcleo de hidrógeno-1)..

La fuerza fuerte residual es, por lo 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 en su mayor parte se neutraliza dentro de ellos, de la misma manera que las fuerzas electromagnéticas entre átomos neutros (fuerzas de van der Waals) son mucho más débil que las fuerzas electromagnéticas que mantienen a los electrones en asociación con el núcleo, formando los átomos.

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; ver 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 los protones dentro de un núcleo, provoca la inestabilidad de los núcleos atómicos más grandes, como todos aquellos con números atómicos mayores que 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 la suma de las masas 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 potencian la fusión nuclear y la fisión nuclear.

Unificación

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 electromagnética y débil fueron unificadas por el modelo Glashow-Weinberg-Salam en electrodébil interacción. 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 gran energía de unificación. Sin embargo, aún 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 es correcto, 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 época de gran unificación antes de esto.