Interacción fundamental

En física, las interacciones fundamentales, también conocidas como fuerzas fundamentales, son las interacciones que no parecen reducibles a interacciones más básicas. Se sabe que existen cuatro interacciones fundamentales: las interacciones gravitacionales y electromagnéticas, que producen fuerzas significativas de largo alcance cuyos efectos se pueden ver directamente en la vida cotidiana, y las interacciones fuertes y débiles, que producen fuerzas a distancias subatómicas minúsculas y gobiernan la energía nuclear. interacciones. Algunos científicos plantean la hipótesis de que podría existir una quinta fuerza, pero estas hipótesis siguen siendo especulativas.

Cada una de las interacciones fundamentales conocidas se puede describir matemáticamente como un campo. La fuerza gravitatoria se atribuye a la curvatura del espacio-tiempo, descrita por la teoría general de la relatividad de Einstein. Los otros tres son campos cuánticos discretos y sus interacciones están mediadas por partículas elementales descritas por el modelo estándar de física de partículas.

Dentro del modelo estándar, la interacción fuerte la realiza una partícula llamada gluón y es responsable de que los quarks se unan para formar hadrones, como protones y neutrones. Como efecto residual, crea la fuerza nuclear que une a las últimas partículas para formar núcleos atómicos. La interacción débil es transportada por partículas llamadas bosones W y Z, y también actúa sobre el núcleo de los átomos, mediando la desintegración radiactiva. La fuerza electromagnética, transportada por el fotón, crea campos eléctricos y magnéticos, que son responsables de la atracción entre los electrones orbitales y los núcleos atómicos que mantienen unidos a los átomos, así como de los enlaces químicos y las ondas electromagnéticas, incluida la luz visible, y forma la base para Tecnología eléctrica. Aunque la fuerza electromagnética es mucho más fuerte que la gravedad, tiende a cancelarse dentro de objetos grandes, por lo que en distancias grandes (astronómicas) la gravedad tiende a ser la fuerza dominante y es responsable de mantener unidas las estructuras a gran escala del universo, como como planetas, estrellas y galaxias.

Muchos físicos teóricos creen que estas fuerzas fundamentales están relacionadas y se unifican en una sola fuerza a energías muy altas en una escala minúscula, la escala de Planck, pero los aceleradores de partículas no pueden producir las enormes energías necesarias para probar esto experimentalmente. Idear un marco teórico común que explique la relación entre las fuerzas en una sola teoría es quizás el mayor objetivo de los físicos teóricos de hoy. Las fuerzas débil y electromagnética ya se han unificado con la teoría electrodébil de Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg, por la que recibieron el Premio Nobel de física en 1979. Algunos físicos buscan unir los campos electrodébiles y fuertes dentro de lo que se llama una Gran Teoría Unificada (GUT). Un desafío aún mayor es encontrar una manera de cuantificar el campo gravitatorio, lo que resulta en una teoría de la gravedad cuántica (QG) que uniría la gravedad en un marco teórico común con las otras tres fuerzas. Algunas teorías, en particular la teoría de cuerdas, buscan tanto QG como GUT dentro de un marco, unificando las cuatro interacciones fundamentales junto con la generación en masa dentro de una teoría del todo (ToE).

Historia

Teoría clásica

En su teoría de 1687, Isaac Newton postuló el espacio como una estructura física infinita e inalterable que existe antes, dentro y alrededor de todos los objetos, mientras que sus estados y relaciones se desarrollan a un ritmo constante en todas partes, por lo tanto, espacio y tiempo absolutos. Al inferir que todos los objetos que tienen masa se acercan a una velocidad constante, pero chocan por un impacto proporcional a sus masas, Newton infirió que la materia exhibe una fuerza de atracción. Su ley de gravitación universal implicaba que había una interacción instantánea entre todos los objetos. Como se interpreta convencionalmente, la teoría del movimiento de Newton modeló una fuerza central sin un medio de comunicación. Así, la teoría de Newton violó la tradición, que se remonta a Descartes, de que no debería haber acción a distancia. Por el contrario, durante la década de 1820, al explicar el magnetismo, Michael Faraday infirió un campo que llenaba el espacio y transmitía esa fuerza. Faraday conjeturó que, en última instancia, todas las fuerzas se unificaron en una sola.

En 1873, James Clerk Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo como efectos de un campo electromagnético cuya tercera consecuencia era la luz, que viajaba a velocidad constante en el vacío. Si su teoría del campo electromagnético fuera cierta en todos los marcos de referencia inerciales, esto contradiría la teoría del movimiento de Newton, que se basaba en la relatividad galileana. Si, en cambio, su teoría del campo solo se aplicara a los marcos de referencia en reposo en relación con un éter luminífero mecánico, que se supone que llena todo el espacio, ya sea dentro de la materia o en el vacío, y que manifiesta el campo electromagnético, entonces podría reconciliarse con la relatividad galileana y Newton& #39;s leyes. (Sin embargo, tal 'éter de Maxwell' fue refutado más tarde; las leyes de Newton, de hecho, tuvieron que ser reemplazadas).

El modelo estándar

El Modelo Estándar de partículas elementales, con los fermions en las tres primeras columnas, los bosones de calibre en la cuarta columna, y el bosón de Higgs en la quinta columna

El modelo estándar de física de partículas se desarrolló durante la segunda mitad del siglo XX. En el Modelo Estándar, las interacciones electromagnéticas, fuertes y débiles se asocian con partículas elementales, cuyos comportamientos están modelados en mecánica cuántica (QM). Para el éxito predictivo con los resultados probabilísticos de QM, la física de partículas modela convencionalmente los eventos de QM en un campo ajustado a la relatividad especial, en conjunto con la teoría cuántica de campos relativista (QFT). Las partículas de fuerza, llamadas bosones de norma (portadores de fuerza o partículas mensajeras de campos subyacentes) interactúan con partículas de materia, llamadas fermiones. La materia cotidiana son átomos, compuestos de tres tipos de fermiones: up-quarks y down-quarks que constituyen, además de los electrones que orbitan, el núcleo del átomo. Los átomos interactúan, forman moléculas y manifiestan otras propiedades a través de interacciones electromagnéticas entre sus electrones que absorben y emiten fotones, el portador de fuerza del campo electromagnético, que, si no se ve obstaculizado, atraviesa una distancia potencialmente infinita. La QFT del electromagnetismo es la electrodinámica cuántica (QED).

Los portadores de fuerza de la interacción débil son los bosones masivos W y Z. La teoría electrodébil (EWT) cubre tanto el electromagnetismo como la interacción débil. A las altas temperaturas poco después del Big Bang, la interacción débil, la interacción electromagnética y el bosón de Higgs fueron originalmente componentes mixtos de un conjunto diferente de campos antiguos que rompen la presimetría. A medida que el universo primitivo se enfrió, estos campos se dividieron en la interacción electromagnética de largo alcance, la interacción débil de corto alcance y el bosón de Higgs. En el mecanismo de Higgs, el campo de Higgs manifiesta bosones de Higgs que interactúan con algunas partículas cuánticas de una manera que dota a esas partículas de masa. La interacción fuerte, cuyo portador de fuerza es el gluón, que atraviesa una distancia minúscula entre los quarks, se modela en cromodinámica cuántica (QCD). EWT, QCD y el mecanismo de Higgs comprenden la física de partículas. Modelo Estándar (SM). Las predicciones generalmente se realizan utilizando métodos de aproximación de cálculo, aunque dicha teoría de la perturbación es inadecuada para modelar algunas observaciones experimentales (por ejemplo, estados ligados y solitones). Aún así, los físicos aceptan ampliamente el modelo estándar como la teoría científica más confirmada experimentalmente.

Más allá del Modelo Estándar, algunos teóricos trabajan para unir las interacciones electrodébiles y fuertes dentro de una Gran Teoría Unificada (GUT). Algunos intentos de GUT plantean la hipótesis de "sombra" partículas, de modo que cada partícula de materia conocida se asocia con una partícula de fuerza no descubierta, y viceversa, en total supersimetría (SUSY). Otros teóricos buscan cuantificar el campo gravitatorio mediante el comportamiento de modelado de su portador de fuerza hipotético, el gravitón y lograr la gravedad cuántica (QG). Un enfoque de QG es la gravedad cuántica de bucles (LQG). Aún otros teóricos buscan tanto QG como GUT dentro de un marco, reduciendo las cuatro interacciones fundamentales a una Teoría del Todo (ToE). El objetivo más frecuente en un ToE es la teoría de cuerdas, aunque para modelar partículas de materia, agregó SUSY para forzar partículas, y así, estrictamente hablando, se convirtió en teoría de supercuerdas. Múltiples teorías de supercuerdas aparentemente dispares se unificaron en una columna vertebral, la teoría M. Las teorías más allá del modelo estándar siguen siendo altamente especulativas y carecen de un gran apoyo experimental.

Resumen de las interacciones fundamentales

Una visión general de las diversas familias de partículas elementales y compuestas, y las teorías que describen sus interacciones. Fermions están a la izquierda, y Bosons están a la derecha.

En el modelo conceptual de las interacciones fundamentales, la materia consta de fermiones, que tienen propiedades llamadas cargas y espín ±1 ⁄2 (momento angular intrínseco ±ħ⁄2, donde ħ es la constante de Planck reducida). Se atraen o se repelen intercambiando bosones.

La interacción de cualquier par de fermiones en la teoría de perturbaciones se puede modelar así:

Dos hurones van en → interacción por boson exchange → Dos férulas cambiadas salen.

El intercambio de bosones siempre lleva energía y cantidad de movimiento entre los fermiones, cambiando así su velocidad y dirección. El intercambio también puede transportar una carga entre los fermiones, cambiando las cargas de los fermiones en el proceso (p. ej., convertirlos de un tipo de fermión a otro). Dado que los bosones tienen una unidad de momento angular, la dirección de giro del fermión cambiará de +1⁄2 a −1⁄2 (o viceversa) durante dicho intercambio (en unidades de la constante de Planck reducida). Dado que tales interacciones dan como resultado un cambio en el impulso, pueden dar lugar a las fuerzas newtonianas clásicas. En mecánica cuántica, los físicos suelen utilizar los términos "fuerza" y "interacción" indistintamente; por ejemplo, la interacción débil a veces se denomina "fuerza débil".

Según la comprensión actual, existen cuatro interacciones o fuerzas fundamentales: la gravitación, el electromagnetismo, la interacción débil y la interacción fuerte. Su magnitud y comportamiento varían mucho, como se describe en la siguiente tabla. La física moderna intenta explicar cada fenómeno físico observado por estas interacciones fundamentales. Además, se considera deseable reducir el número de diferentes tipos de interacción. Dos casos en cuestión son la unificación de:

• Fuerza eléctrica y magnética en el electromagnetismo;
• La interacción electromagnética y la interacción débil en la interacción electroweak; ver abajo.

Tanto la magnitud ("fuerza relativa") como el "rango" del potencial asociado, como se indica en la tabla, sólo tienen sentido dentro de un marco teórico bastante complejo. La siguiente tabla enumera las propiedades de un esquema conceptual que sigue siendo objeto de investigación en curso.

Interacción	Teoría actual	Mediadores	Fuerza relativa	Comportamiento de larga distancia (potencial)	Rango m)
Weak	Teoría electroweak (EWT)	W y Z bosons	1033	${displaystyle {frac {}{}} e^{-m_{rm {W,Z}r}$	10−18
Fuerte	Cromodinámica Cuántica (QCD)	gluones	1038	${displaystyle {sim r}$ (Confinamiento de color, véase el debate a continuación)	10−15
Electromagnético	Electrodinámica cuántica (QED)	fotones	1036	${fnMicroc} {1}{r}}}$	JUEGO
Gravitación	Relatividad general (GR)	gravitones (hipotética)	1	${fnMicroc} {1}{r}}}$	JUEGO

La visión mecánica cuántica moderna (perturbativa) de las fuerzas fundamentales distintas de la gravedad es que las partículas de materia (fermiones) no interactúan directamente entre sí, sino que llevan una carga e intercambian partículas virtuales (bosones de calibre), que son los portadores de interacción o mediadores de fuerza. Por ejemplo, los fotones median la interacción de las cargas eléctricas y los gluones median la interacción de las cargas de color. La teoría completa incluye perturbaciones más allá de simplemente fermiones intercambiando bosones; estas perturbaciones adicionales pueden involucrar bosones que intercambian fermiones, así como la creación o destrucción de partículas: vea los diagramas de Feynman para ver ejemplos.

Las interacciones

Gravedad

La gravedad es, con mucho, la más débil de las cuatro interacciones a escala atómica, donde dominan las interacciones electromagnéticas. Pero la idea de que la debilidad de la gravedad puede demostrarse fácilmente suspendiendo un alfiler usando un imán simple (como el imán de un refrigerador) es fundamentalmente errónea. La única razón por la que el imán puede sostener el alfiler contra la atracción gravitatoria de toda la Tierra se debe a su relativa proximidad. Claramente, existe una corta distancia de separación entre el imán y el pasador donde se alcanza un punto de ruptura, y debido a la gran masa de la Tierra, esta distancia es bastante pequeña.

La gravedad es la más importante de las cuatro fuerzas fundamentales para los objetos astronómicos a distancias astronómicas por dos razones. Primero, la gravitación tiene un rango efectivo infinito, como el electromagnetismo pero a diferencia de las interacciones fuertes y débiles. Segundo, la gravedad siempre atrae y nunca repele; en contraste, los cuerpos astronómicos tienden hacia una carga eléctrica neta casi neutra, de modo que la atracción a un tipo de carga y la repulsión de la carga opuesta en su mayoría se cancelan entre sí.

Aunque el electromagnetismo es mucho más fuerte que la gravitación, la atracción electrostática no es relevante para los grandes cuerpos celestes, como los planetas, las estrellas y las galaxias, simplemente porque dichos cuerpos contienen la misma cantidad de protones y electrones y, por lo tanto, tienen una carga eléctrica neta de cero. Nada "cancela" la gravedad, ya que solo es de atracción, a diferencia de las fuerzas eléctricas que pueden ser de atracción o de repulsión. Por otro lado, todos los objetos que tienen masa están sujetos a la fuerza gravitatoria, que solo atrae. Por lo tanto, solo la gravitación importa en la estructura a gran escala del universo.

El largo alcance de la gravitación la hace responsable de fenómenos a gran escala como la estructura de las galaxias y los agujeros negros y retrasa la expansión del universo. La gravitación también explica los fenómenos astronómicos a escalas más modestas, como las órbitas planetarias, así como la experiencia cotidiana: caída de objetos; los objetos pesados actúan como si estuvieran pegados al suelo, y los animales solo pueden saltar tan alto.

La gravedad fue la primera interacción que se describió matemáticamente. En la antigüedad, Aristóteles planteó la hipótesis de que los objetos de diferentes masas caen a diferentes velocidades. Durante la revolución científica, Galileo Galilei determinó experimentalmente que esta hipótesis era incorrecta en ciertas circunstancias, despreciando la fricción debida a la resistencia del aire y las fuerzas de flotabilidad si hay una atmósfera presente (por ejemplo, el caso de un globo lleno de aire que cae frente a un globo lleno de agua).), todos los objetos aceleran hacia la Tierra a la misma velocidad. La ley de la gravitación universal de Isaac Newton (1687) fue una buena aproximación del comportamiento de la gravitación. Nuestra comprensión actual de la gravitación proviene de la Teoría General de la Relatividad de Einstein de 1915, una descripción más precisa (especialmente para las masas y distancias cosmológicas) de la gravitación en términos de la geometría del espacio-tiempo.

Fusionar la relatividad general y la mecánica cuántica (o la teoría cuántica de campos) en una teoría más general de la gravedad cuántica es un área de investigación activa. Se plantea la hipótesis de que la gravitación está mediada por una partícula de espín 2 sin masa llamada gravitón.

Aunque la relatividad general se ha confirmado experimentalmente (al menos para campos débiles, es decir, no para agujeros negros) en todas las escalas excepto en las más pequeñas, existen alternativas a la relatividad general. Estas teorías deben reducirse a la relatividad general en algún límite, y el enfoque del trabajo de observación es establecer límites sobre qué desviaciones de la relatividad general son posibles.

Las dimensiones adicionales propuestas podrían explicar por qué la fuerza de la gravedad es tan débil.

Interacción electrodébil

El electromagnetismo y la interacción débil parecen ser muy diferentes en las bajas energías diarias. Se pueden modelar usando dos teorías diferentes. Sin embargo, por encima de la energía de unificación, del orden de 100 GeV, se fusionarían en una única fuerza electrodébil.

La teoría electrodébil es muy importante para la cosmología moderna, particularmente sobre cómo evolucionó el universo. Esto se debe a que poco después del Big Bang, cuando la temperatura todavía estaba por encima de los 10¹⁵ K, la fuerza electromagnética y la fuerza débil aún se fusionaban como una fuerza electrodébil combinada.

Por sus contribuciones a la unificación de la interacción débil y electromagnética entre partículas elementales, Abdus Salam, Sheldon Glashow y Steven Weinberg recibieron el Premio Nobel de Física en 1979.

Electromagnetismo

El electromagnetismo es la fuerza que actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Este fenómeno incluye la fuerza electrostática que actúa entre partículas cargadas en reposo y el efecto combinado de las fuerzas eléctricas y magnéticas que actúan entre partículas cargadas que se mueven entre sí.

El electromagnetismo tiene un rango infinito como la gravedad, pero es mucho más fuerte que ella y, por lo tanto, describe varios fenómenos macroscópicos de la experiencia cotidiana, como la fricción, los arcoíris, los relámpagos y todos los dispositivos hechos por el hombre que utilizan corriente eléctrica, como la televisión, los láseres. y computadoras. El electromagnetismo determina fundamentalmente todas las propiedades macroscópicas y muchas a nivel atómico de los elementos químicos, incluidos todos los enlaces químicos.

En una jarra de agua de cuatro kilogramos (~1 galón), hay

${displaystyle 4000 {fnMicrosoft Sans Serif} # {H}_{2}{rm} {fnMicroc} {1\mbox{mol}, # {H}_{2}{rm} {fnh} {fnh} {fnh}}cdot {cccccccc\cc\cccc}cccH}ccH}cdot {c} {ccH00} {mbox} {mbox} {c} {m} {c} {c} {c}}c}c}c}c}c}c}c}c}c}ccc}cc}c}cccccccc}cccccccccc}ccccccccc}c}cccc}ccc}cccccc}c}c}c$

de la carga total de electrones. Por lo tanto, si colocamos dos de estos jarros a un metro de distancia, los electrones de uno de los jarros repelen a los del otro jarro con una fuerza de

${displaystyle {1 over 4pi varepsilon ###{0}{2.1times 10^{8}mathrm {C}{2}{(1m)^{2}}}=4.1times 10^{26}mathrm {N}$

Esta fuerza es muchas veces mayor que el peso del planeta Tierra. Los núcleos atómicos de una jarra también repelen a los de la otra con la misma fuerza. Sin embargo, estas fuerzas repulsivas son canceladas por la atracción de los electrones en el vaso A con los núcleos en el vaso B y la atracción de los núcleos en el vaso A con los electrones en el vaso B, lo que resulta en una fuerza neta nula. Las fuerzas electromagnéticas son tremendamente más fuertes que la gravedad, pero se anulan, de modo que en los cuerpos grandes domina la gravedad.

Los fenómenos eléctricos y magnéticos se han observado desde la antigüedad, pero fue hasta el siglo XIX que James Clerk Maxwell descubrió que la electricidad y el magnetismo son dos aspectos de la misma interacción fundamental. En 1864, las ecuaciones de Maxwell habían cuantificado rigurosamente esta interacción unificada. La teoría de Maxwell, reformulada mediante cálculo vectorial, es la teoría clásica del electromagnetismo, adecuada para la mayoría de los propósitos tecnológicos.

La velocidad constante de la luz en el vacío (habitualmente descrita con una letra minúscula "c< /i>") se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell, que son consistentes con la teoría de la relatividad especial. Sin embargo, la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein de 1905, que se deriva de la observación de que la velocidad de la luz es constante sin importar qué tan rápido se mueva el observador, mostró que el resultado teórico implícito en las ecuaciones de Maxwell tiene profundas implicaciones mucho más allá del electromagnetismo en la naturaleza misma del tiempo y el espacio.

En otro trabajo que se apartó del electromagnetismo clásico, Einstein también explicó el efecto fotoeléctrico utilizando el descubrimiento de Max Planck de que la luz se transmitía en 'quanta' de contenido energético específico basado en la frecuencia, que ahora llamamos fotones. Alrededor de 1927, Paul Dirac combinó la mecánica cuántica con la teoría relativista del electromagnetismo. El trabajo adicional en la década de 1940, de Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga, completó esta teoría, que ahora se llama electrodinámica cuántica, la teoría revisada del electromagnetismo. La electrodinámica cuántica y la mecánica cuántica proporcionan una base teórica para el comportamiento electromagnético, como el efecto túnel cuántico, en el que un cierto porcentaje de partículas cargadas eléctricamente se mueven en formas que serían imposibles según la teoría electromagnética clásica, que es necesaria para que los dispositivos electrónicos cotidianos, como los transistores, funcionen. función.

Interacción débil

La interacción débil o fuerza nuclear débil es responsable de algunos fenómenos nucleares como la desintegración beta. Ahora se entiende que el electromagnetismo y la fuerza débil son dos aspectos de una interacción electrodébil unificada; este descubrimiento fue el primer paso hacia la teoría unificada conocida como Modelo Estándar. En la teoría de la interacción electrodébil, los portadores de la fuerza débil son los bosones de calibre masivos llamados bosones W y Z. La interacción débil es la única interacción conocida que no conserva la paridad; es asimétrico de izquierda a derecha. La interacción débil incluso viola la simetría CP pero conserva CPT.

Fuerte interacción

La interacción fuerte, o fuerza nuclear fuerte, es la interacción más complicada, principalmente por la forma en que varía con la distancia. La fuerza nuclear es poderosamente atractiva entre nucleones a distancias de alrededor de 1 femtómetro (fm, o 10⁻¹⁵ metros), pero rápidamente se vuelve insignificante a distancias más allá de alrededor de 2,5 fm. A distancias inferiores a 0,7 fm, la fuerza nuclear se vuelve repulsiva. Este componente repulsivo es responsable del tamaño físico de los núcleos, ya que los nucleones no pueden acercarse más de lo que permite la fuerza.

Después de que se descubrió el núcleo en 1908, quedó claro que se necesitaba una nueva fuerza, hoy conocida como fuerza nuclear, para superar la repulsión electrostática, una manifestación del electromagnetismo, de los protones cargados positivamente. De lo contrario, el núcleo no podría existir. Además, la fuerza tenía que ser lo suficientemente fuerte como para comprimir los protones en un volumen cuyo diámetro es de unos 10⁻¹⁵ m, mucho más pequeño que el del átomo completo. A partir del corto alcance de esta fuerza, Hideki Yukawa predijo que estaba asociada con una partícula de fuerza masiva, cuya masa es de aproximadamente 100 MeV.

El descubrimiento del pión en 1947 marcó el comienzo de la era moderna de la física de partículas. Se descubrieron cientos de hadrones desde la década de 1940 hasta la de 1960, y se desarrolló una teoría extremadamente complicada de hadrones como partículas que interactúan fuertemente. Más destacado:

• Los piones se entendían como oscilaciones de condensados de vacío;
• Jun John Sakurai propuso que los bosones vectoriales rho y omega fueran de fuerza llevando partículas para simetrías aproximadas de isospina e hipercarga;
• Geoffrey Chew, Edward K. Burdett y Steven Frautschi agruparon los hadrones más pesados en familias que podrían entenderse como excitaciones vibratorias y rotativas de cuerdas.

Si bien cada uno de estos enfoques ofreció información, ningún enfoque condujo directamente a una teoría fundamental.

Murray Gell-Mann junto con George Zweig propusieron por primera vez los quarks con carga fraccionada en 1961. A lo largo de la década de 1960, diferentes autores consideraron teorías similares a la moderna teoría fundamental de la cromodinámica cuántica (QCD) como modelos simples para las interacciones de los quarks. Los primeros en plantear la hipótesis de los gluones de QCD fueron Moo-Young Han y Yoichiro Nambu, quienes introdujeron la carga de color del quark. Han y Nambu plantearon la hipótesis de que podría estar asociado con un campo portador de fuerza. En ese momento, sin embargo, era difícil ver cómo un modelo así podría confinar permanentemente a los quarks. Han y Nambu también asignaron a cada color de quark una carga eléctrica entera, de modo que los quarks tenían una carga fraccionaria en promedio, y no esperaban que los quarks en su modelo estuvieran confinados permanentemente.

En 1971, Murray Gell-Mann y Harald Fritzsch propusieron que el campo de calibre de color Han/Nambu era la teoría correcta de las interacciones de corta distancia de los quarks con carga fraccionada. Un poco más tarde, David Gross, Frank Wilczek y David Politzer descubrieron que esta teoría tenía la propiedad de la libertad asintótica, lo que les permitía tomar contacto con la evidencia experimental. Llegaron a la conclusión de que QCD era la teoría completa de las interacciones fuertes, correcta en todas las escalas de distancia. El descubrimiento de la libertad asintótica llevó a la mayoría de los físicos a aceptar la QCD, ya que quedó claro que incluso las propiedades de larga distancia de las interacciones fuertes podrían ser consistentes con el experimento si los quarks están confinados permanentemente: la fuerza fuerte aumenta indefinidamente con la distancia, atrapando a los quarks dentro de la hadrones.

Suponiendo que los quarks están confinados, Mikhail Shifman, Arkady Vainshtein y Valentine Zakharov pudieron calcular las propiedades de muchos hadrones bajos directamente desde QCD, con solo unos pocos parámetros adicionales para describir el vacío. En 1980, Kenneth G. Wilson publicó cálculos por computadora basados en los primeros principios de QCD, estableciendo, con un nivel de confianza equivalente a certeza, que QCD confinará a los quarks. Desde entonces, QCD ha sido la teoría establecida de interacciones fuertes.

QCD es una teoría de quarks con carga fraccionada que interactúan por medio de 8 partículas bosónicas llamadas gluones. Los gluones también interactúan entre sí, no solo con los quarks, ya largas distancias las líneas de fuerza se coliman en cuerdas, modeladas libremente por un potencial lineal, una fuerza de atracción constante. De esta manera, la teoría matemática de QCD no solo explica cómo interactúan los quarks en distancias cortas, sino también el comportamiento similar a una cuerda, descubierto por Chew y Frautschi, que se manifiesta en distancias más largas.

Interacción de Higgs

Convencionalmente, la interacción de Higgs no se cuenta entre las cuatro fuerzas fundamentales.

Sin embargo, aunque no es una interacción de calibre ni está generada por ninguna simetría de difeomorfismo, el acoplamiento Yukawa cúbico del campo de Higgs produce una quinta interacción débilmente atractiva. Después de la ruptura espontánea de la simetría a través del mecanismo de Higgs, los términos de Yukawa permanecen de la forma

${fnMicroc {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\\fnMicrosoft {fnMicrosoft {\\\\fnMicrosoft\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ {fnK} {fnh}fnhfnh}fnhfnhfnhfnhs} {fnfn}fnfnh}fnfnh}fnfnfnhfnhfnhfnhnhnhfnhnhnh}fnhfnhnhnhnhnhnh}fnhnh}fnfnh}fnh}fnhnhfnhfnhnhnhfnhnhfnh}fnh}fnfnfnfnhnfnfnhnh}fnhnfnhnhnfnhnhnhfnhfnhnh}fnhnh}fnhnhnfnhnhnh}fnfn {m_{i}{nu}{bar {ps}phi 'psi } {f}} {f}} {b}} {b}}} {b}}}}} {f}}}f}f}f} {f}}} {f}}}}}} {b}}}}}} {b}}}}} {b}}}} {b}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {b} {b} {b} {b} {b}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {b}} {b}}}}}}}}} {b} {b} {b}b}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$,

con acoplamiento Yukawa ${displaystyle lambda _{i}$, masa de partículas ${displaystyle #$ (en eV) y Higgs valor de expectativa de vacío 246.22 GeV. Por lo tanto, partículas acopladas pueden intercambiar un bosón virtual de Higgs, dando potenciales clásicos de la forma

${displaystyle V(r)=-{frac {m_{i}m_{j}{m_{rm} {} {fn} {fnK}} {fn}} {fn}}} {fn}} {fn}}} {fn}}} {fn}}} {fn}} {fn}}}} {f}}}} {f}}}}} {f}}} {f}}} {f}}}}}}}}}} {f}}}} {f}}}}}} {f}}} {f}} {f}}} {f}}}} {f} {f}}}}f}}}}}}}}}}}}}}}}} {f} {f} {f} {f}}} {f}}}} {f} {f} {f} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}f}}}}}}}}}}}}}}}}. {H},c,r/hbar}$,

con masa de Higgs 125,18 GeV. Debido a que la longitud de onda Compton reducida del bosón de Higgs es muy pequeña (1.576×10⁻¹⁸ m, comparable a los bosones W y Z), este potencial tiene un rango efectivo de unos pocos attometros. Entre dos electrones, comienza aproximadamente 10¹¹ veces más débil que la interacción débil y crece exponencialmente más débil a distancias distintas de cero.

Más allá del modelo estándar

Se han realizado numerosos esfuerzos teóricos para sistematizar las cuatro interacciones fundamentales existentes en el modelo de unificación electrodébil.

Las grandes teorías unificadas (GUT) son propuestas para demostrar que las tres interacciones fundamentales descritas por el modelo estándar son todas manifestaciones diferentes de una única interacción con simetrías que se descomponen y crean interacciones separadas por debajo de un nivel de energía extremadamente alto. También se espera que los GUT predigan algunas de las relaciones entre las constantes de la naturaleza que el modelo estándar trata como no relacionadas, así como la predicción de la unificación del acoplamiento de calibre para las intensidades relativas de las fuerzas electromagnética, débil y fuerte (esto fue, por ejemplo, verificado en el Gran Colisionador de Electrones y Positrones en 1991 para teorías supersimétricas).

Las teorías del todo, que integran las GUT con una teoría de la gravedad cuántica, enfrentan una barrera mayor, porque ninguna teoría de la gravedad cuántica, que incluye la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles y la teoría del twistor, ha obtenido una amplia aceptación. Algunas teorías buscan un gravitón para completar la lista del modelo estándar de partículas portadoras de fuerza, mientras que otras, como la gravedad cuántica de bucles, enfatizan la posibilidad de que el espacio-tiempo en sí mismo pueda tener un aspecto cuántico.

Algunas teorías más allá del modelo estándar incluyen una quinta fuerza hipotética, y la búsqueda de dicha fuerza es una línea continua de investigación en física experimental. En las teorías supersimétricas, algunas partículas adquieren sus masas solo a través de los efectos de ruptura de la supersimetría y estas partículas, conocidas como módulos, pueden mediar en nuevas fuerzas. Otra razón para buscar nuevas fuerzas es el descubrimiento de que la expansión del universo se está acelerando (también conocida como energía oscura), dando lugar a la necesidad de explicar una constante cosmológica distinta de cero, y posiblemente a otras modificaciones de la relatividad general. También se ha sugerido que las quintas fuerzas explican fenómenos como las violaciones de CP, la materia oscura y el flujo oscuro.