Interacción fuerte

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 fuerza es aproximadamente 100  veces mayor que la de la fuerza electromagnética , unas ^10⁶  veces mayor que la de la fuerza débil y unas ^10³⁸  veces mayor que la de la gravedad .

La fuerza fuerte se describe mediante la cromodinámica cuántica (QCD), que forma parte del Modelo Estándar de la física de partículas. Matemáticamente, la QCD es una teoría de gauge no abeliana basada en un grupo de simetría local (de gauge) llamado SU(3) .

La partícula portadora de la fuerza de la interacción fuerte es el gluón, un bosón de gauge sin masa . Se cree que los gluones interactúan con los quarks y otros gluones mediante un tipo de carga denominada 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 posee una carga de color. Los quarks y los gluones son las únicas partículas fundamentales que poseen una carga de color no nula y, por lo tanto, participan en las interacciones fuertes únicamente entre sí. La fuerza fuerte es la expresión de la interacción del gluón con otras partículas quark y gluón.

En la cromodinámica cuántica (QCD), todos los quarks y gluones interactúan entre sí mediante la fuerza fuerte. La intensidad de la interacción se parametriza mediante la constante de acoplamiento fuerte . Esta intensidad se ve modificada por la carga de color de gauge 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 gravitatoria), la fuerza fuerte no disminuye su intensidad al aumentar la distancia entre pares de quarks. Después de alcanzar una distancia límite (aproximadamente del tamaño de un hadrón ), permanece con una intensidad de aproximadamente10 000 N  , sin importar cuán mayor sea la distancia entre los quarks. ^{[ 7 ] : 164} A medida que aumenta 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 deUn campo magnético de 10 000  N es suficiente para crear pares partícula-antipartícula a muy corta distancia. La energía añadida al sistema al separar dos quarks crearía un nuevo par de quarks que se unirían a los originales. En cromodinámica cuántica (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 una prueba de este fenómeno.

Las partículas elementales de quark y gluón involucradas en una colisión de alta energía no son directamente observables. La interacción produce chorros de hadrones recién creados que sí son observables. Estos 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 impactado por un quark muy rápido de otro protón durante un experimento con un acelerador de partículas . Sin embargo, se han observado plasmas de quark-gluón . ^{[ 8 ]}

Si bien el confinamiento de color implica que la fuerza fuerte actúa sin disminución de la distancia entre pares de quarks en colecciones compactas de quarks ligados (hadrones), a distancias que se aproximan o superan el radio de un protón, persiste una fuerza residual (que se describe a continuación). Esta 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", que actúa indirectamente, transmite gluones que forman parte de los mesones virtuales π y ρ  , los cuales, 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 lo tanto, un residuo menor de la fuerza fuerte que mantiene unidos a los quarks para formar protones y neutrones. Esta misma fuerza es mucho más débil entre neutrones y protones, porque se neutraliza mayormente dentro de ellos, del mismo modo 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 asociados al núcleo, formando los átomos. ^{[ 7 ]}

A diferencia de la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear fuerte residual disminuye con la distancia, y lo hace rápidamente. Esta disminución es aproximadamente proporcional a una potencia exponencial negativa de la distancia, aunque no se conoce una expresión sencilla para describirla; véase el potencial de Yukawa . La rápida disminución con la distancia de la fuerza nuclear fuerte residual y la disminución menos rápida de la fuerza electromagnética repulsiva que actúa entre los protones dentro de un núcleo, provocan 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 interacción fuerte, sigue siendo muy energética: las transiciones producen rayos gamma . La masa de un núcleo difiere significativamente de la suma de las masas de los nucleones individuales. Este defecto de masa se debe a la energía potencial asociada a la fuerza nuclear. Las diferencias entre los defectos de masa impulsan la fusión nuclear y la fisión nuclear .