Interacción fuerte (fuerza nuclear fuerte)
Definición
En la física de partículas, la interacción fuerte es el mecanismo responsable de la fuerza nuclear fuerte (también llamada fuerza fuerte , fuerza nuclear fuerte o fuerza de color).), y es una de las cuatro interacciones fundamentales conocidas, siendo las otras el electromagnetismo, la interacción débil y la gravitación. En el rango de 10 m (1 femtometro), la fuerza fuerte es aproximadamente 137 veces más fuerte que el electromagnetismo, un millón de veces más fuerte que la interacción débil y 10 veces más fuerte que la gravedad. La fuerza nuclear fuerte mantiene la mayoría de la materia común unida porque confina a los quarks en partículas de hadrones como el protón y el neutrón. Además, la fuerza fuerte une neutrones y protones para crear núcleos atómicos. La mayor parte de la masa de un protón o neutrón común es el resultado de la fuerte energía del campo de fuerza; los quarks individuales proporcionan solo alrededor del 1% de la masa de un protón.
La interacción fuerte es observable en dos rangos: en una escala mayor (alrededor de 1 a 3 fm), es la fuerza que une protones y 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 los gluones) la que mantiene a los quarks juntos para formar protones, neutrones y otras partículas de hadrón. En este último contexto, a menudo se lo conoce como la fuerza de 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 radiaciones que se mueven libremente (gluones). Esta propiedad de la fuerza fuerte se denomina confinamiento de color e impide la "emisión" libre de la fuerza fuerte: en cambio, en la práctica, se producen chorros de partículas masivas.
En el contexto de la unión de protones y neutrones para formar núcleos atómicos, la interacción fuerte se denomina fuerza nuclear (o fuerza residual residual).) En este caso, es el residuo de la interacción fuerte entre los quarks que componen los protones y neutrones. Como tal, la interacción fuerte residual obedece a un comportamiento bastante diferente dependiente de la distancia entre los nucleones, desde cuando actúa para unir los quarks dentro de los nucleones. Diferencias en la energía de enlace de la fuerza nuclear entre la fusión nuclear de diferentes núcleos de poder y la fisión nuclear. La fusión nuclear representa la mayor producción de energía en el Sol y otras estrellas. La fisión nuclear permite la descomposición 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 a base de uranio o plutonio como en 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 por medio de 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, ± 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 entre quarks y gluones.
Historia
Antes de la década de 1970, los físicos no estaban seguros de cómo el núcleo atómico estaba unido. 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. Por la comprensión de la física en ese momento, las cargas positivas se repelerían entre sí y los protones cargados positivamente deberían hacer que el núcleo se despedace. Sin embargo, esto nunca se observó. Nueva física fue necesaria para explicar este fenómeno.
Se postuló una fuerza atractiva 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 la fuerza fuerte , que se creía que era una fuerza fundamental que actuaba sobre los protones y neutrones que componen el núcleo.
Más tarde se descubrió que los protones y los neutrones no eran partículas fundamentales, sino que estaban formados por partículas constituyentes llamadas quarks. La fuerte atracción entre los nucleones era el efecto secundario de una fuerza más fundamental que unía a los quarks en protones y neutrones. La teoría de la cromodinámica cuántica explica que los quarks tienen lo que se llama una carga de color, aunque no tiene relación con el color visible. Quarks con carga de color diferente se atraen entre sí como resultado de la interacción fuerte , y la partícula que lo mediaba se llamaba gluón.
Comportamiento de la fuerza fuerte
La palabra fuerte se usa porque la interacción fuerte es la "más fuerte" de las cuatro fuerzas fundamentales. A una distancia de 1 femtometro (1 fm = 10 metros) o menos, su fuerza es alrededor de 137 veces la de la fuerza electromagnética, unas 10 veces mayor que la de la fuerza débil, y alrededor de 10 veces la de la gravedad.
La fuerza fuerte se describe por la cromodinámica cuántica (QCD), una parte del modelo estándar de la física de partículas. Matemáticamente, QCD es una teoría de medida no abeliana basada en un grupo de simetría local (calibre) llamado SU (3).
La partícula portadora de fuerza de la interacción fuerte es el gluón, un bosón sin masa. A diferencia del electromagnetismo de fotonina, que es neutro, el gluón lleva una carga de color. Quarks y 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 se parametriza mediante la fuerte constante de acoplamiento. Esta fuerza se modifica por la carga de color de la partícula, una propiedad teórica de grupo.
La fuerza fuerte actúa entre quarks. A diferencia de todas las otras fuerzas (electromagnéticas, débiles y gravitacionales), la fuerza fuerte no disminuye en fuerza al aumentar la distancia entre pares de quarks. Después de que se ha alcanzado una distancia límite (aproximadamente del tamaño de un hadrón), permanece a una intensidad 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 crear quarks separados. La explicación es que la cantidad de trabajo realizado contra una fuerza de 10.000 newtons es suficiente para crear pares partícula-antipartícula dentro de una distancia muy corta de esa interacción. La misma energía que se agrega al sistema para separar dos quarks crearía un par de quarks nuevos que se emparejarán con los originales. En QCD, este fenómeno se llama confinamiento de color; como resultado, solo se pueden observar hadrones, no quarks individuales libres. El fracaso de todos los experimentos que han buscado quarks libres se considera evidencia de este fenómeno.
El quark elemental y las partículas de gluón 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 de 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 impactante durante un experimento de acelerador de partículas. Sin embargo, se han observado plasmas de quark-gluon.
Fuerza fuerte residual
Cada quark del universo no atrae a los demás quarks de la manera independiente de la distancia anterior, ya que el confinamiento del color implica que la fuerza fuerte actúa sin disminución de distancia solo entre pares de quarks, y eso en colecciones de quarks atados (es decir, hadrones) , la carga de color neta de los quarks esencialmente se cancela, lo que resulta en un límite de la acción de las fuerzas. Por lo tanto, las colecciones de quarks (hadrones) aparecen casi sin carga de color, por lo que la fuerza fuerte casi no existe entre esos hadrones, excepto que la cancelación no es perfecta. Una fuerza residual permanece (se describe a continuación) conocida como la fuerza fuerte residual . Esta fuerza residual no disminuir rápidamente con la distancia, y por lo tanto es de muy corto alcance (efectivamente unos pocos femtometers). Se manifiesta como una fuerza entre los hadrones "incoloros", y a veces se conoce como la fuerza nuclear fuerte o simplemente la fuerza nuclear.
El efecto residual de la fuerza fuerte se llama fuerza nuclear. La fuerza nuclear actúa entre hadrones, conocidos como mesones y bariones. Esta "fuerza fuerte residual", que actúa indirectamente, transmite gluones que forman parte de los mesones virtuales πy ρ , que, a su vez, transmiten la fuerza entre los nucleones que mantienen unido al núcleo (más allá del protium).
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 se neutraliza en su mayoría , 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.
A diferencia de la propia fuerza fuerte, la fuerza fuerte residual, no disminuye en fuerza, y que, de hecho, disminuye rápidamente con la distancia. La disminución es aproximadamente como una potencia de distancia exponencial negativa, aunque no hay una expresión simple conocida para esto; ver el potencial de Yukawa. La disminución rápida 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 núcleos atómicos más grandes, como todos aquellos con números atómicos mayores que 82 (el elemento )
Aunque la fuerza nuclear es más débil que la interacción fuerte en sí misma, sigue siendo muy energética: las transiciones producen rayos gamma. La masa de núcleos es significativamente diferente 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 en masa propician la fusión nuclear y la fisión nuclear.
Unificación
Las llamadas Grandes Teorías Unificadas (GUT) apuntan a describir la interacción fuerte y la interacción electrodébil como aspectos de una sola fuerza, de forma similar a como las interacciones electromagnéticas y débiles fueron unificadas por el modelo 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 más altas (o temperaturas). 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 una 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 una gran época de unificación existió antes de esto.