Fuerza nuclear

La fuerza nuclear (o interacción nucleón-nucleón , fuerza fuerte residual o, históricamente, fuerza nuclear fuerte ) es una fuerza que actúa entre hadrones , observándose con mayor frecuencia entre protones y neutrones de los átomos . Los neutrones y los protones, ambos nucleones, se ven afectados por la fuerza nuclear de forma casi idéntica. Dado que los protones tienen una carga de +1 e , experimentan una fuerza eléctrica que tiende a repelerlos, pero a corta distancia la fuerza nuclear atractiva es lo suficientemente fuerte como para superar la fuerza electrostática. La fuerza nuclear mantiene unidos a los nucleones en los núcleos atómicos . 

La fuerza nuclear es poderosamente atractiva entre nucleones a distancias de aproximadamente 0,8 femtómetros (fm o 0,8 × 10 ⁻¹⁵ m  ), pero disminuye rápidamente hasta volverse insignificante a distancias superiores a unos 2,5  fm. A distancias inferiores a 0,7  fm, la fuerza nuclear se vuelve repulsiva. Esta repulsión es responsable del tamaño de los núcleos, ya que los nucleones no pueden acercarse más de lo que permite la fuerza. (El tamaño de un átomo, de tamaño del orden de angstroms (Å, o10 ⁻¹⁰  m ), es cinco órdenes de magnitud mayor.) Sin embargo, la fuerza nuclear no es simple, ya que depende de los espines de los nucleones, tiene un componente tensorial y puede depender del momento relativo de los nucleones. ^{[ 2 ]}

La fuerza nuclear desempeña un papel esencial en el almacenamiento de la energía utilizada en la energía nuclear y las armas nucleares . Se requiere trabajo (energía) para unir protones cargados contra su repulsión eléctrica. Esta energía se almacena cuando los protones y neutrones se unen mediante la fuerza nuclear para formar un núcleo. La masa de un núcleo es menor que la suma total de las masas individuales de los protones y neutrones. La diferencia de masas se conoce como defecto de masa , que puede expresarse como un equivalente de energía. Se libera energía cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos más ligeros. Esta energía es la energía potencial internucleónica que se libera cuando la fuerza nuclear deja de mantener unidos los fragmentos nucleares cargados. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Una descripción cuantitativa de la fuerza nuclear se basa en ecuaciones parcialmente empíricas . Estas ecuaciones modelan las energías potenciales internucleónicas, o potenciales. (Generalmente, las fuerzas dentro de un sistema de partículas se pueden modelar de forma más sencilla describiendo la energía potencial del sistema; el gradiente negativo de un potencial es igual a la fuerza vectorial). Las constantes de las ecuaciones son fenomenológicas, es decir, se determinan ajustando las ecuaciones a datos experimentales. Los potenciales internucleónicos intentan describir las propiedades de la interacción nucleón-nucleón. Una vez determinado, cualquier potencial dado puede utilizarse, por ejemplo, en la ecuación de Schrödinger para determinar las propiedades mecánico-cuánticas del sistema de nucleones.

El descubrimiento del neutrón en 1932 reveló que los núcleos atómicos estaban formados por protones y neutrones, unidos por una fuerza de atracción. En 1935, se concibió que la fuerza nuclear se transmitía mediante partículas llamadas mesones . Este desarrollo teórico incluyó una descripción del potencial de Yukawa , un ejemplo temprano de potencial nuclear. Los piones , confirmando la predicción, fueron descubiertos experimentalmente en 1947. En la década de 1970, se desarrolló el modelo de quarks , según el cual los mesones y nucleones se consideraban compuestos de quarks y gluones. Con este nuevo modelo, la fuerza nuclear, resultante del intercambio de mesones entre nucleones vecinos, es una interacción de múltiples partículas, el efecto colectivo de la fuerza fuerte sobre la estructura subyacente de los nucleones.

Si bien la fuerza nuclear se asocia generalmente con los nucleones, en términos más generales se manifiesta entre hadrones , o partículas compuestas de quarks . A distancias pequeñas entre nucleones (menos de ~  0,7  fm entre sus centros, dependiendo de la alineación de espín), la fuerza se vuelve repulsiva, lo que mantiene a los nucleones a una distancia media determinada. Para nucleones idénticos (como dos neutrones o dos protones), esta repulsión surge de la fuerza de exclusión de Pauli . También se produce una repulsión de Pauli entre quarks del mismo sabor provenientes de nucleones diferentes (un protón y un neutrón).

Unión nuclear

Para desintegrar un núcleo en protones y neutrones libres se requiere trabajo contra la fuerza nuclear. Por el contrario, se libera energía cuando se crea un núcleo a partir de nucleones libres u otros núcleos: la energía de enlace nuclear . Debido a la ^equivalencia masa-energía (es decir, la fórmula de Einstein E = mc² ), la liberación de esta energía provoca que la masa del núcleo sea menor que la masa total de los nucleones individuales, lo que da lugar al llamado "defecto de masa". ^{[ 6 ]}

La fuerza nuclear es prácticamente independiente de si los nucleones son neutrones o protones. Esta propiedad se denomina independencia de carga . La fuerza depende de si los espines de los nucleones son paralelos o antiparalelos, ya que posee una componente tensorial no central. Esta parte de la fuerza no conserva el momento angular orbital , que sí se conserva bajo la acción de fuerzas centrales .

La simetría que da lugar a la fuerza fuerte, propuesta por Werner Heisenberg , consiste en que los protones y neutrones son idénticos en todos los aspectos, excepto en su carga. Esto no es del todo cierto, ya que los neutrones son ligeramente más pesados, pero se trata de una simetría aproximada. Por lo tanto, los protones y neutrones se consideran la misma partícula, pero con diferentes números cuánticos de isospín ; convencionalmente, el protón tiene isospín hacia arriba, mientras que el neutrón tiene isospín hacia abajo . La fuerza fuerte es invariante bajo transformaciones de isospín SU(2), al igual que otras interacciones entre partículas son invariantes bajo transformaciones SU(2) del espín intrínseco . En otras palabras, tanto las transformaciones de isospín como las de espín intrínseco son isomorfas al grupo de simetría SU(2). Solo existen atracciones fuertes cuando el isospín total del conjunto de partículas que interactúan es 0, lo cual se confirma experimentalmente. ^{[ 7 ]}

Nuestra comprensión de la fuerza nuclear se obtiene mediante experimentos de dispersión y la energía de enlace de los núcleos ligeros.

La fuerza nuclear se produce por el intercambio de mesones ligeros virtuales , como los piones virtuales , así como de dos tipos de mesones virtuales con espín ( mesones vectoriales ): los mesones rho y los mesones omega . Los mesones vectoriales explican la dependencia del espín de la fuerza nuclear en este modelo de "mesones virtuales".

La fuerza nuclear es distinta de lo que históricamente se conocía como la fuerza nuclear débil . La interacción débil es una de las cuatro interacciones fundamentales y participa en procesos como la desintegración beta . La fuerza débil no interviene en la interacción de los nucleones, aunque sí es responsable de la desintegración de neutrones en protones y viceversa.

La fuerza nuclear ha sido fundamental en la física nuclear desde que este campo nació en 1932 con el descubrimiento del neutrón por James Chadwick . El objetivo tradicional de la física nuclear es comprender las propiedades de los núcleos atómicos en términos de la interacción "pura" entre pares de nucleones, o fuerzas nucleón-nucleón (  fuerzas NN).

A los pocos meses del descubrimiento del neutrón, Werner Heisenberg ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} y Dmitri Ivanenko ^{[ 11 ]} propusieron modelos de protón-neutrón para el núcleo. ^{[ 12 ]} Heisenberg abordó la descripción de protones y neutrones en el núcleo a través de la mecánica cuántica, un enfoque que no era en absoluto obvio en ese momento. La teoría de Heisenberg para protones y neutrones en el núcleo fue un "paso importante hacia la comprensión del núcleo como un sistema mecánico cuántico". ^{[ 13 ]} Heisenberg introdujo la primera teoría de las fuerzas de intercambio nuclear que unen a los nucleones. Consideró que los protones y neutrones eran diferentes estados cuánticos de la misma partícula, es decir, nucleones que se distinguen por el valor de sus números cuánticos de isospín nuclear .

Uno de los primeros modelos para el núcleo fue el modelo de gota líquida, desarrollado en la década de 1930. Una propiedad de los núcleos es que la energía de enlace promedio por nucleón es aproximadamente la misma para todos los núcleos estables, lo que se asemeja a una gota líquida. El modelo de gota líquida trataba al núcleo como una gota de fluido nuclear incompresible, donde los nucleones se comportaban como moléculas en un líquido. El modelo fue propuesto inicialmente por George Gamow y posteriormente desarrollado por Niels Bohr , Werner Heisenberg y Carl Friedrich von Weizsäcker . Este modelo rudimentario no explicaba todas las propiedades del núcleo, pero sí la forma esférica de la mayoría de ellos. Además, el modelo proporcionaba buenas predicciones para la energía de enlace de los núcleos.

En 1934, Hideki Yukawa realizó el primer intento de explicar la naturaleza de la fuerza nuclear. Según su teoría, los bosones masivos ( mesones ) median la interacción entre dos nucleones. A la luz de la cromodinámica cuántica (QCD) —y, por extensión, del Modelo Estándar— la teoría de los mesones ya no se considera fundamental. Pero el concepto de intercambio de mesones (donde los hadrones se tratan como partículas elementales ) sigue representando el mejor modelo de trabajo para un potencial NN cuantitativo. El potencial de Yukawa (también llamado potencial de Coulomb apantallado ) es un potencial de la forma $${\displaystyle V_{\text{Yukawa}}(r)=-g^{2}{\frac {e^{-\mu r}}{r}},}$$ donde g es una constante de escala de magnitud, es decir, la amplitud del potencial,${\displaystyle \mu }$es la masa de la partícula de Yukawa, r es la distancia radial a la partícula. El potencial es monótonamente creciente , lo que implica que la fuerza siempre es atractiva. Las constantes se determinan empíricamente. El potencial de Yukawa depende solo de la distancia r entre partículas, por lo tanto, modela una fuerza central .

A lo largo de la década de 1930, un grupo de la Universidad de Columbia, liderado por I. I. Rabi, desarrolló técnicas de resonancia magnética para determinar los momentos magnéticos de los núcleos. Estas mediciones llevaron al descubrimiento, en 1939, de que el deuterón también poseía un momento cuadrupolar eléctrico . ^{[ 14 ] [ 15 ]} Esta propiedad eléctrica del deuterón había estado interfiriendo con las mediciones del grupo de Rabi. El deuterón, compuesto por un protón y un neutrón, es uno de los sistemas nucleares más simples. El descubrimiento significó que la forma física del deuterón no era simétrica, lo que proporcionó información valiosa sobre la naturaleza de la fuerza nuclear que une a los nucleones. En particular, el resultado mostró que la fuerza nuclear no era una fuerza central , sino que tenía un carácter tensorial. ^{[ 1 ]} Hans Bethe identificó el descubrimiento del momento cuadrupolar del deuterón como uno de los eventos importantes durante los años formativos de la física nuclear. ^{[ 14 ]}

Históricamente, la tarea de describir la fuerza nuclear fenomenológicamente fue formidable. Los primeros modelos cuantitativos semiempíricos surgieron a mediados de la década de 1950, ^{[ 1 ]} como el potencial de Woods-Saxon (1954). Hubo un progreso sustancial en la experimentación y la teoría relacionadas con la fuerza nuclear en las décadas de 1960 y 1970. Un modelo influyente fue el potencial de Reid (1968) ^{[ 1 ].}$${\displaystyle V_{\text{Reid}}(r)=-10.463{\frac {e^{-\mu r}}{\mu r}}-1650.6{\frac {e^{-4\mu r}}{\mu r}}+6484.2{\frac {e^{-7\mu r}}{\mu r}},}$$ dónde${\displaystyle \mu =0.7~{\text{fm}}^{-1},}$y donde el potencial se da en unidades de MeV . En los últimos años, los experimentadores se han concentrado en las sutilezas de la fuerza nuclear, como su dependencia de la carga, el valor preciso de la constante de acoplamiento π NN , el análisis mejorado del desplazamiento de fase , los datos NN de alta precisión , los potenciales NN de alta precisión , la dispersión NN a energías intermedias y altas, y los intentos de derivar la fuerza nuclear a partir de la QCD.

La fuerza nuclear es un efecto residual de la fuerza fuerte, o interacción fuerte , que es más fundamental . La interacción fuerte es la fuerza de atracción que mantiene unidas a las partículas elementales llamadas quarks para formar los nucleones (protones y neutrones). Esta fuerza más poderosa, una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, está mediada por partículas llamadas gluones . Los gluones mantienen unidos a los quarks mediante la carga de color , que es análoga a la carga eléctrica, pero mucho más fuerte. Los quarks, los gluones y su dinámica se encuentran mayormente confinados dentro de los nucleones, pero las influencias residuales se extienden ligeramente más allá de los límites de los nucleones para dar lugar a la fuerza nuclear.

Las fuerzas nucleares que surgen entre los nucleones son análogas a las fuerzas químicas entre átomos o moléculas neutras, denominadas fuerzas de dispersión de London . Estas fuerzas entre átomos son mucho más débiles que las fuerzas eléctricas atractivas que mantienen unidos a los átomos (es decir, que unen los electrones al núcleo), y su alcance entre átomos es menor, ya que surgen de pequeñas separaciones de carga dentro del átomo neutro. De manera similar, aunque los nucleones están formados por quarks en combinaciones que cancelan la mayoría de las fuerzas de gluones (son "neutros en color"), algunas combinaciones de quarks y gluones se escapan de los nucleones en forma de campos de fuerza nucleares de corto alcance que se extienden de un nucleón a otro cercano. Estas fuerzas nucleares son muy débiles en comparación con las fuerzas directas de gluones ("fuerzas de color" o fuerzas fuertes ) dentro de los nucleones, y se extienden solo a lo largo de unos pocos diámetros nucleares, disminuyendo exponencialmente con la distancia. Sin embargo, son lo suficientemente fuertes como para unir neutrones y protones a corta distancia y superar la repulsión eléctrica entre protones en el núcleo.

En ocasiones, la fuerza nuclear se denomina fuerza fuerte residual , en contraste con las interacciones fuertes que surgen de la cromodinámica cuántica (QCD). Esta terminología surgió durante la década de 1970, cuando se estaba estableciendo la QCD. Antes de eso, la fuerza nuclear fuerte se refería al potencial internucleónico. Tras la verificación del modelo de quarks , la interacción fuerte pasó a significar QCD.

Los sistemas de dos nucleones, como el deuterón , el núcleo de un átomo de deuterio, así como la dispersión protón-protón o neutrón-protón, son ideales para estudiar la fuerza NN . Dichos sistemas pueden describirse atribuyendo un potencial (como el potencial de Yukawa ) a los nucleones y utilizando estos potenciales en una ecuación de Schrödinger . La forma del potencial se deriva fenomenológicamente (mediante mediciones), aunque para la interacción de largo alcance, las teorías de intercambio de mesones ayudan a construir el potencial. Los parámetros del potencial se determinan ajustándolos a datos experimentales , como la energía de enlace del deuterón o las secciones transversales de dispersión elástica NN (o, equivalentemente en este contexto, los denominados desfases NN ).

Los potenciales NN más utilizados son el potencial de París , el potencial Argonne AV18 , ^{[ 16 ]} el potencial CD-Bonn y los potenciales de Nijmegen .

Un enfoque más reciente consiste en desarrollar teorías de campo efectivas para una descripción consistente de las fuerzas nucleón-nucleón y de tres nucleones. La hadrodinámica cuántica es una teoría de campo efectiva de la fuerza nuclear, comparable a la cromodinámica cuántica (QCD) para las interacciones de color y a la electrodinámica cuántica (QED) para las interacciones electromagnéticas. Además, la ruptura de la simetría quiral puede analizarse en términos de una teoría de campo efectiva (denominada teoría de perturbación quiral ) que permite cálculos perturbativos de las interacciones entre nucleones con piones como partículas de intercambio.

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• Ruprecht Machleidt , "Fuerzas nucleares" , Scholarpedia , 9(1):30710. doi : 10.4249/scholarpedia.30710 .